一种锂金属电池负极集流体的改性方法及其应用技术

一种锂金属电池负极集流体的改性方法及其应用。本发明专利技术属于锂金属电池技术领域，在铜集流体上设计了一种由聚乙烯醇和刚性氟化锂颗粒组成的复合人工保护层。聚乙烯醇是一种成本低、应用广泛的聚合物，具有良好的热稳定性、机械稳定性和优良的成膜性能。通过在PVA基底中引入不同量的氟化锂，发现当氟化锂的质量浓度为5g/L时，性能最佳。实验结果表明，当引入PVA/LiF(定义为PLF)层时，由于氟化锂颗粒的均匀分布，沉积在电极上的锂金属光滑致密，使电流密度均匀化。此外，引入氟化锂颗粒后，复合保护层的杨氏模量显著增加10 GPa，可以有效缓解锂镀/剥离过程中巨大的体积波动，抑制锂枝晶的生长。该方法为构建改性层提供了一种简单、有效的策略。有效的策略。有效的策略。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池负极集流体的改性方法及其应用


[0001]本专利技术属于锂金属电池
，尤其涉及一种锂金属电池负极集流体的改性方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备的飞速发展，人们对锂离子电池能量密度的要求也越来越高。目前，大多数商用锂电池都是以石墨作为电池的负极，然而其所提供的容量非常有限，已逐渐无法满足动力电池的需求。
[0003]锂金属具有极高的理论比容量3860mAh/g和较低的电压平台
‑
3.04V(vs标准氢电极)，被认为是下一代锂金属电池中极具潜力的负极材料。然而，锂枝晶的生长和库仑效率的迅速衰减是锂金属电池应用面临的两个主要挑战。这些问题的根源是金属锂与液体电解质界面的不稳定性。锂与非水液体电解质瞬间反应形成脆弱的和不均匀固体电解质界面（SEI），不能承受镀锂/剥锂过程中无限的体积变化，循环后留下裂纹和断裂，导致锂沉积不均匀和锂枝晶形成。
[0004]常用的对锂金属电池的改性方法有如下几种：（1）使用固态电解质代替传统液体电解质；（2）使用电解液添加剂；（3）构建三维集流体；（4）构建人工保护层等。其中，在集流体上构建人工保护层被认为是最简单、有效的方法之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于：针对现有技术中锂金属电池容易产生锂枝晶甚至“死锂”的现象，提出了一种锂金属电池负极集流体的改性方法及其应用，其包括锂金属电池的组装。所述锂金属电池包括锂金属电池负极、锂金属电池正极和电解质；所述锂金属电池负极经过PVA/LiF复合人工保护膜改性处理制备而成。
[0006]所述PVA/LiF复合人工保护膜的厚度为1～3μm；杨氏模量为4～10Gpa；离子电导率为8
×
10
‑
16
cm2S
‑1～19
×
10
‑
16
cm2S
‑1。
[0007]优选的，所述锂金属电池负极为经过所述PVA/LiF复合人工保护膜改性处理的铜集流体。
[0008]优选的，所述锂金属电池为全电池、半电池或对称电池中的一种。
[0009]本专利技术还提供一种锂金属电池负极集流体的改性方法，包含以下操作：将含PVA的前驱体浆液均匀涂覆在铜集流体上，在真空干燥后在铜集流体表面形成一层保护膜，得到改性后的铜集流体。
[0010]所述含PVA的前驱体浆液包括PVA水溶液或PVA/LiF溶液。
[0011]所述PVA水溶液的制备方法为：将聚乙烯醇加入水中，常温下搅拌混匀得到质量浓度为0.5
‑
15g/L的PVA水溶液。
[0012]优选的，将聚乙烯醇加入水中，常温下搅拌混匀得到质量浓度为1
‑
10g/L的PVA水溶液。
[0013]所述PVA/LiF溶液的制备方法为：将LiF加入到PVA水溶液中经搅拌超声，配置得到质量浓度为0.5
‑
10mg/mL的LiF的PVA水溶液。
[0014]优选的，将LiF加入到PVA水溶液中经搅拌超声，配置得到质量浓度为3
‑
5mg/mL的LiF的PVA水溶液。
[0015]优选的，所述PVA/LiF复合人工保护膜中，所述LiF颗粒的最佳质量浓度为5g/L。
[0016]具体的，在实际使用制造改性的电极过程：通过刀片技术将步骤S1制备的所述PVA保护膜前驱体浆液或PVA/LiF复合人工保护膜前驱体浆液涂覆于铜箔上，溶剂蒸发处理后，制备得到经过PVA保护膜或PVA/LiF复合人工保护膜改性处理的锂金属电池负极，分别标记为PVA@Cu、PLF@Cu。
[0017]本专利技术的又一技术方案中，将PVA/LiF复合人工保护膜改性处理的铜集流体，具体为PVA@Cu、PLF@Cu作为锂金属电池负极组装成半电池、对电池、全电池。
[0018]所述组装的全电池、半电池或对称电池中的任意一种的过程中，还包含有锂金属电池正极、电解质和隔膜进行组装，得到所述锂金属电池。
[0019]优选的，所述锂金属电池正极材料为LiFePO4。
[0020]优选的，所述电解质为LiTFSI或LiPF6。
[0021]优选的，所述锂金属电池负极在组装对称电池或全电池前，先用电化学沉积法沉积了一定量的锂金属。
[0022]优选的，所述锂金属电池包含但不限于为Li|PLF@Cu半电池、PLF@Cu|PLF@Cu对称电池或PLF@Cu|LiFePO4全电池中的一种。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的锂金属电池，采用简单的刀片技术将PVA/LiF人工保护膜前驱体浆液均匀地涂在铜集流体上。由于PLF膜具有良好的锂离子导电性和力学性能，它促进了锂离子的均匀传输与沉积，防止了锂金属与电解质的直接接触，因此大大减少了副反应的发生，大大提高了电池的安全性能；此外，优异的力学性能缓解了镀锂/剥锂过程中的巨大的体积变化。通过PLF改性，锂金属电池负极的电化学性能显著提高。
[0024]具体的，Li|PLF@Cu半电池在电流密度为1mA
·
cm
‑2、面积容量为1mAh
·
cm
‑2时，可稳定循环160次，平均库仑效率可达95%以上。在面积容量为1mAh
·
cm
‑2、电流密度为1mA
·
cm
‑2的情况下，PLF@Cu|PLF@Cu对称电池的寿命达到800h。
[0025]在全电池测试中，PLF@Cu|LiFePO4全电池在305次循环后仍保持129.9mAh
·
g
‑1的高比容量，在0.5C下的容量保持率为95.3%。
[0026]因此，本专利技术提供了一个有简单和低成本的方法，构建出高稳定性锂金属电池(LMBs)。
[0027]2、本专利技术提供的锂金属电池，锂金属电池铜集流体通过PLF人工保护膜的改性处理，使得电化学性能显著提升，这主要是由于：PLF保护膜防止了锂金属与电解质的直接接触，大大减少了副反应的发生；PLF保护膜相比于锂金属与电解质直接接触自发形成的脆弱SEI有着更优异的力学性能，在镀锂/剥锂过程中难以破裂，因此能够有效缓解锂金属的体积变化；PLF保护膜提供了优良的离子电导率，促进了锂离子的运输，且均匀分布的LiF颗粒均匀化了电流密度，使得锂离子能够更均匀地沉积，抑制了锂枝晶的生成。
[0028]3、本专利技术提供的锂金属电池负极集流体的改性方法，操作简单、成本低廉、环境友好且生产效率高，具备大规模推广应用的巨大潜力。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例1和实施例1.1、实施例1.3提供的半电池的电化学性能，图中bare Cu为实施例1.1，with PVA为实施例1.3，with PLF为实施例1。
[0030]图2为本专利技术实施例1和实施例1.2提供的半电池的电化学性能。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池负极集流体的改性方法，其特征在于，包含以下操作：将含PVA的前驱体浆液均匀涂覆在铜集流体上，在真空干燥后在铜集流体表面形成一层保护膜，得到改性后的铜集流体。2.根据权利要求1所述的锂金属电池负极集流体的改性方法，其特征在于，所述含PVA的前驱体浆液包括PVA水溶液或PVA/LiF溶液。3.根据权利要求2所述的锂金属电池负极集流体的改性方法，其特征在于，所述PVA水溶液的制备方法为：将聚乙烯醇加入水中，常温下搅拌混匀得到质量浓度为0.5
‑
15g/L的PVA水溶液。4.根据权利要求3所述的锂金属电池负极集流体的改性方法，其特征在于，所述PVA水溶液的制备方法为：将聚乙烯醇加入水中，常温下搅拌混匀得到质量浓度为1
‑
10g/L的PVA水溶液。5.根据权利要求4所述的锂金属电池负极集流体的改性方法，其特征在于，所述PVA/LiF溶液的制备方法为：将LiF加入到PVA水溶液中经搅拌超声，配置得到质量浓度为0.5
‑
10mg/mL...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涯皓，刘港归，李月，杨学林，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：