一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂电池技术领域，提供一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料及其制备方法，用以解决金属锂负极空气稳定性差、电化学性能差的问题。本发明专利技术通过物理气相沉积法在金属锂表面实现双层金属包覆改性，第一金属薄膜层与锂形成较高锂扩散系数的合金，提高金属锂负极的循环性能，而第二金属薄膜层在空气中表面形成稳定致密的钝化层，其他部分维持金属单质状态，保护双层金属薄膜及金属锂，提高金属锂负极的空气稳定性；最终，双层金属包覆层在电化学循环过程中能够钝化金属锂负极的化学活性，有利于被还原的锂原子快速迁移扩散，从而提高金属锂负极的循环性能。另外，物理气相沉积法工艺简单、成本低且控制精确，利于实现工业化生产。生产。生产。

【技术实现步骤摘要】
一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，涉及锂离子电池负极材料，具体提供一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]作为蓄电池中的重要一类，锂离子电池自1991年由索尼公司进行商业化后开始进入大众视野，并很快成为主要的电化学储能方式之一，同时还促进了便携式电子设备的快速发展。然而，在锂离子电池中，由于负极材料大多选用石墨材料，其理论比容量仅为372mAh/g，难以满足应用端快速增长的能源需求，因此需要开发新型高能量密度电极材料。金属锂具有极高质量比容量(3860mAh/g)和最低的氧化还原电位(
‑
3.045V vs.标准氢电极)，是实现高能量密度电池的首选负极材料，以金属锂作为负极材料的锂电池也成为了最有前景的下一代电化学储能器件。然而，金属锂负极在过去几十年的研发过程中电化学性能的提升并不显著，且金属锂易于在潮湿空气中反应失活、进而导致金属锂电池进行大规模组装时存在条件苛刻及成本高昂等问题。由此可见，对金属锂负极的改性及提高空气稳定性是非常必要的，对于锂负极及锂二次电池的大规模商业化应用具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料及其制备方法，用以解决现有金属锂负极材料空气稳定性差及电化学性能差的问题。本专利技术通过物理气相沉积法(PVD)在金属锂表面沉积超薄双层金属薄膜，金属锂表面包覆的第一金属薄膜层能与锂形成具有较高的锂扩散系数的合金，有效提高金属锂负极的循环性能，并且该金属薄膜层能够防止二次沉积的第二金属薄膜层与金属锂形成合金相，有利于第二金属薄膜层保持金属单质状态；而二次沉积的第二金属薄膜层在空气中表面能够形成稳定致密的钝化层，保护金属薄膜层及金属锂层，大大提高金属锂负极材料的空气稳定性；最终，双层金属包覆层在循环过程中能够钝化金属锂表面的活性，有利于被电化学还原的锂原子快速迁移扩散，从而提高金属锂负极的循环性能。另外，本专利技术采用物理气相沉积法实现双层金属包覆改性，具有工艺简单、成本低及控制精确等优点，利于实现工业化生成。
[0004]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0005]一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料，其特征在于，所述金属锂负极材料由金属锂箔与其表面依次包覆的第一金属薄膜层、第二金属薄膜层构成，其中，第一金属薄膜层的厚度为30nm～3μm，采用金属材料为锌(Zn)、铝(Al)、或锡(Sn)；第二金属薄膜层的厚度为30nm～3μm，采用金属材料为锌(Zn)、铝(Al)、锡(Sn)或铜(Cu)，且第二金属薄膜层与第一金属薄膜层所采用的金属材料不同。
[0006]进一步的，所述第一金属薄膜层与金属锂在常温下反应生成合金相，防止所述第二金属薄膜层与金属锂接触形成合金相，且所述第二金属薄膜层与空气接触表面形成钝化层，保护金属薄膜层及金属锂，其他部分维持金属单质状态。
[0007]进一步的，上述双层金属包覆改性的金属锂负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1.在氩气保护气氛下，将金属锂转移至物理气相沉积设备的真空室内，并将真空室抽真空至10
‑2Pa以上；
[0009]步骤2.采用高纯金属靶材，采用对应物理气相沉积法将靶材上的金属原子沉积在金属锂表面上，形成第一金属薄膜层；
[0010]步骤3.采用高纯金属靶材，采用对应物理气相沉积法将靶材上的金属原子沉积在第一金属薄膜层表面上，形成第二金属薄膜层。
[0011]进一步的，所用物理气相沉积法包括：磁控溅射、电子束蒸发、离子束溅射、热蒸发镀膜，且步骤2与步骤3中采用相同的物理气相沉积法。
[0012]基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：
[0013]本专利技术一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料，采用易于与金属锂在常温下形成合金的廉价金属(如：铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)等)作为包覆材料，并基于两种不同包覆材料对金属锂构成双层金属包覆改性，金属锂表面包覆的第一金属薄膜层能与锂形成具有较高的锂扩散系数的合金，有效提高金属锂负极的循环性能，并且，该金属薄膜层能够防止二次沉积的第二金属薄膜层与金属锂形成合金相；而二次沉积的第二金属薄膜层在空气中表面能够形成稳定存在较长时间的致密的钝化层，保护金属薄膜层及金属锂，大大提高金属锂负极材料的空气稳定性。
[0014]同时，本专利技术还提供该双层金属包覆改性的金属锂负极材料的制备方法，采用物理气相沉积法，具有制备工艺简单、制备成本低廉、以及成膜温度较低等优点，且能够较为精确的控制包覆金属薄膜层的厚度至纳米量级，利于实现大规模商业化生产。
附图说明
[0015]图1为本专利技术中双层金属包覆改性的金属锂负极材料的结构示意图，其中，1为金属锂箔，2为第一沉积金属薄膜层，3为第二沉积金属薄膜层。
[0016]图2为本专利技术实施例1中制备所得双层金属包覆的金属锂负极材料样品Sn@Al@Li在空气中放置不同时间下的表面颜色变化对比光学照片。
[0017]图3为本专利技术实施例1中制备所得双层金属包覆的金属锂负极材料样品Sn@Al@Li在空气中放置不同时间下的XRD谱图。
[0018]图4为本专利技术实施例1中制备所得双层金属包覆的金属锂负极材料样品Sn@Al@Li的截面SEM图。
[0019]图5为本专利技术实施例1中制备所得双层金属包覆的金属锂负极材料样品Sn@Al@Li的截面EDS谱图。
[0020]图6为本专利技术实施例1中制备所得双层金属包覆的金属锂负极材料样品Sn@Al@Li组装为半电池的容量释放率曲线。
[0021]图7为本专利技术实施例1中制备所得双层金属包覆的金属锂负极材料样品Sn@Al@Li组装为对称电池的长循环寿命曲线。
具体实施方式
[0022]为使本专利技术的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例
对本专利技术做进一步详细说明。
[0023]实施例1
[0024]本实施例提供一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料，其结构如图1所示，由金属锂箔1、包覆于金属锂箔表面的第一沉积金属薄膜2、以及包覆于第一沉积金属薄膜表面的第二沉积金属薄膜3构成，其中，第一沉积金属薄膜采用厚度为70nm的Al(铝)薄膜，第二沉积金属薄膜采用厚度为3μm的Sn(锡)薄膜。
[0025]所述Al、Sn双层金属薄膜分别通过磁控溅射法依次沉积，具体步骤如下：
[0026]采用高纯Al靶、Sn靶作为包覆材料，在氩气保护气氛下将金属锂箔转移至磁控溅射装置的样品室内，并将样品室真空度抽至10
‑4Pa；然后通入50sccm的氩气，设置磁控溅射参数：工作气压为1Pa、样品台旋转10r/min、电源功率为90W、靶基距为7cm，在此条件下于金属锂箔表面沉积得到厚度为70nm的Al薄膜、其溅射时间为10min，在于Al薄膜表面沉积得到厚度为3μm的Sn(锡)薄膜、其溅射时间为10min，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双层金属包覆改性的金属锂负极材料，其特征在于，所述金属锂负极材料由金属锂箔与其表面依次包覆的第一金属薄膜层、第二金属薄膜层构成，其中，第一金属薄膜层的厚度为30nm～3μm，采用金属材料为锌(Zn)、铝(Al)、或锡(Sn)；第二金属薄膜层的厚度为30nm～3μm，采用金属材料为锌(Zn)、铝(Al)、锡(Sn)或铜(Cu)，且第二金属薄膜层与第一金属薄膜层所采用的金属材料不同。2.按权利要求1所述双层金属包覆改性的金属锂负极材料，其特征在于，所述第一金属薄膜层与金属锂在常温下反应生成合金相，且所述第二金属薄膜层与空气接触表面形成钝化层、其他部分维持金属单质状态。3.按权利要求1所述双层金...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晶泽，王弘毅，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：