一种锂金属负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种锂金属负极及其制备方法和应用。所述制备方法包括：对合金片进行真空脱合金处理，得到多元合金修饰的多孔金属基体，将熔融锂金属灌入多元合金修饰的多孔金属基体中，得到多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极。本发明专利技术制备得到的多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极能够发挥三维多孔金属基体在抑制体积膨胀方面的优势，又能发挥多孔金属基体在降低局部电流密度，抑制枝晶生长方面的优势。的优势。的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属负极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，涉及一种锂金属负极及其制备方法和应用，尤其涉及一种多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂金属负极具有高理论比容量(3860mAh g
‑1)、低电化学氧化还原电位(
‑
3.04V vs SHE)和低密度(0.53g cm
‑3)，被认为是下一代二次锂电池负极材料的“圣杯”。然而，锂枝晶生长和体积膨胀引起的热失控问题严重阻碍了锂金属负极的商业化。在电池多次充放电后，锂金属负极表面不断生长的枝晶会刺穿隔膜，造成短路，导致电池的安全问题。此外，枝晶生长会导致死锂，并减慢锂的扩散速度。同时，锂金属的无限体积膨胀会呈现出多孔结构。因此，限制锂的无限体积膨胀并抑制锂枝晶生长对于锂金属电池的商业化应用具有重要的意义。
[0003]为了解决上述问题，研究者提出了四种主要策略：(1)调控电解液成分、浓度和添加剂以改变锂金属表面固态电解质界面的成分和调节金属锂的沉积行为从而抑制锂枝晶的生长；(2)在金属锂表面构筑一层结构均匀稳定的，离子导通，电子绝缘的人造SEI可有效调控锂的沉积行为，抑制枝晶生长；(3)对商业隔膜进行修饰可提高隔膜抗枝晶应力和调控枝晶生长行为；(4)设计三维导电骨架用于预储锂基体以抑制锂枝晶的生长。其中，三维导电骨架不仅可以限制锂的无限体积膨胀而且能够均匀化锂离子流，抑制锂枝晶生长，是提升锂金属安全稳定的关键。
[0004]CN108365178A公开了一种锂金属负极的保护方法、锂金属负极及锂电池。通过在锂金属负极表面上形成保护层，将阴离子聚合物和氮化硼分散在有机溶剂中制备得到分散液，将分散液涂覆于锂金属负极的表面，干燥后在锂金属负极表面形成保护层。通过复合保护层既可以实现锂离子的选择性传导，还可以使得锂离子均匀沉积在锂金属负极的表面上。
[0005]CN114388746A公开了一种锂金属负极、锂金属电池及其制备方法与抑制锂枝晶的方法。在金属锂片的表面设置碳材料层，将载有碳材料层的金属锂片加工为锂金属负极。
[0006]但是上述专利中都是通过在锂金属负极的表面设置一层保护层或者碳材料层，虽然能够起到抑制锂枝晶的作用，但是同时会增加负极的阻抗。
[0007]因此，如何制备低阻抗、可抑制锂枝晶生长的锂金属负极，是本领域重要的研究方向。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种锂金属负极及其制备方法和应用，尤其提供一种多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极及其制备方法和应用。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]本专利技术提供一种多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极的制备方法，所述制备
方法包括：
[0011]对合金片进行真空脱合金处理，得到多元合金修饰的多孔金属基体，将熔融锂金属扩散至多元合金修饰的多孔金属基体中，得到所述多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极。
[0012]本专利技术中负极以多孔金属为集流体，通过真空脱合金的方法在多孔金属基体表面修饰对锂具有亲和性的多元合金，再结合熔融锂的热注入法，制备三维锂金属复合负极。制备得到的多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极能够发挥三维多孔金属基体在抑制体积膨胀方面的优势，又能发挥多孔金属基体在降低局部电流密度，抑制枝晶生长方面的优势。
[0013]作为本专利技术优选的技术方案，所述合金片的制备方法包括：
[0014]采用高频感应加热设备制备得到多元合金前驱体，对所述多元合金前驱体进行切割得到合金片。
[0015]优选地，所述多元合金前驱体包括合金元素和铜元素、合金元素和镍元素或合金元素、铜元素和镍元素的组合中的任意一种。
[0016]优选地，所述多元合金前驱体中合金元素包括镁、钙、锶、钡、钪、铱、钌、钯、银、镉、钇、铂、金、锌、汞、铝、镓、铟、铊、锗、锡、铅、碳、硅、砷、锑、铋、锑、氮、磷、氧、硫、硒、氟、氟、氯、溴或碘中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：镁和钙的组合、锶和钡的组合、钪和铱的组合、钌和钯的组合、银和镉的组合、钇和铂的组合、金和锌的组合、汞和铝的组合、镓和铟的组合、铊和锗的组合、锡和铅的组合、碳和硅的组合、砷和锑的组合、铋和锑的组合、氮和磷的组合、氧和硫的组合、硒和氟的组合、氟和氯的组合、铋和溴的组合或碘和磷的组合等。
[0017]作为本专利技术优选的技术方案，所述真空脱合金处理的方法包括：将合金片固定在管式炉中，通过设置真空度、保温温度和保温时间完成真空脱合金。
[0018]优选地，所述真空度≤5
×
10
‑3Pa，其中所述真空度可以是1
×
10
‑3Pa、2
×
10
‑3Pa、3
×
10
‑3Pa、4
×
10
‑3Pa或5
×
10
‑3Pa等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]优选地，所述保温温度为700～900℃，其中所述温度可以是700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、860℃、880℃或900℃等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0020]优选地，所述保温时间为2～4h，其中所述时间可以是2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3.0h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h或4h等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0021]作为本专利技术优选的技术方案，所述多元合金修饰的多孔金属基体中的多孔金属基体包括多孔铜、多孔镍、多孔镍铜合金、多孔铜合金或多孔镍合金中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：多孔铜和多孔镍的组合、多孔镍和多孔镍铜合金的组合、多孔镍铜合金和多孔铜合金的组合或多孔铜合金和多孔镍合金的组合等。
[0022]优选地，所述多孔铜合金包括铜元素和合金元素。
[0023]优选地，所述多孔镍合金包括镍元素和合金元素。
[0024]作为本专利技术优选的技术方案，所述多元合金修饰的多孔金属基体中合金元素包括
镁、钙、锶、钡、钪、铱、钌、钯、银、镉、钇、铂、金、锌、汞、铝、镓、铟、铊、锗、锡、铅、碳、硅、砷、锑、铋、锑、氮、磷、氧、硫、硒、氟、氟、氯、溴或碘中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：镁和钙的组合、锶和钡的组合、钪和铱的组合、钌和钯的组合、银和镉的组合、钇和铂的组合、金和锌的组合、汞和铝的组合、镓和铟的组合、铊和锗的组合、锡和铅的组合、碳和硅的组合、砷和锑的组合、铋和锑的组合、氮和磷的组合、氧和硫的组合、硒和氟的组合、氟和氯的组合、铋和溴的组合或碘和锡的组合等。
[0025]作为本专利技术优选的技术方案，所述真空脱合金处理后，将易本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：对合金片进行真空脱合金处理，得到多元合金修饰的多孔金属基体，将熔融锂金属灌入多元合金修饰的多孔金属基体中，得到所述多元合金修饰多孔金属基体的锂金属负极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述合金片的制备方法包括：采用高频感应加热设备制备得到多元合金前驱体，对所述多元合金前驱体进行切割得到合金片；优选地，所述多元合金前驱体包括合金元素和铜元素、合金元素和镍元素或合金元素、铜元素和镍元素的组合中的任意一种；优选地，所述多元合金前驱体中合金元素包括镁、钙、锶、钡、钪、铱、钌、钯、银、镉、钇、铂、金、锌、汞、铝、镓、铟、铊、锗、锡、铅、碳、硅、砷、锑、铋、锑、氮、磷、氧、硫、硒、氟、氟、氯、溴或碘中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述真空脱合金处理的方法包括：将合金片固定在管式炉中，通过设置真空度、保温温度和保温时间完成真空脱合金；优选地，所述真空度≤5
×
10
‑3Pa；优选地，所述保温温度为700～900℃；优选地，所述保温时间为2～4h。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述多元合金修饰的多孔金属基体中的多孔金属基体包括多孔铜、多孔镍、多孔镍铜合金、多孔铜合金或多孔镍合金中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述多孔铜合金包括铜元素和合金元素；优选地，所述多孔镍合金包括镍元素和合金元素。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述多元合金修饰的多孔金属基体中合金元素包括镁、钙、锶、钡、钪、铱、钌、钯、银、镉、钇、铂、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝，耿海涛，李文彪，郑淑敏，冯丹，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：