一种锂金属电池用负极材料、制备方法及应用技术

技术编号:38903043 阅读:31 留言:0更新日期:2023-09-22 14:21
本发明专利技术公开了一种锂金属电池用负极材料、制备方法及应用,涉及电池技术领域,包括三聚氰胺纳米颗粒、锂化碳纳米管和聚偏氟乙烯粘结剂;三聚氰胺纳米颗粒、锂化碳纳米管和聚偏氟乙烯粘结剂的质量比为(4~8):(1~4):(1~2)。利用锂化碳纳米管作为锂金属和电解液之间的过渡层,该过渡层与电解液和锂金属接触时,均能保持电化学稳定,可以避免电解液和锂金属发生副反应,同时锂化碳纳米管可以传导锂离子,在负极内部形成锂离子传输通道,为负极内部提供了良好的电化学动力学性能,三聚氰胺的氨基具有极性,可以控制锂离子的电化学沉淀,从而抑制了锂枝晶的生长,从而使得锂金属电池用负极材料具有更高的循环寿命和安全性。材料具有更高的循环寿命和安全性。材料具有更高的循环寿命和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池用负极材料、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及电池
,具体涉及一种锂金属电池用负极材料、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]人们对锂电池的能量密度的需求越来越高,但是以石墨为负极的锂离子电池已达到理论极限,很难进一步提升能量密度。即便锂金属能代替石墨,能大幅提高电池的能量密度,但锂金属在充放电过程中的锂离子的电化学行为不受控制,容易形成锂枝晶,它会刺破SEI膜,导致循环寿命下降,随着枝晶的生长,甚至会刺破隔膜,导致短路,发生安全问题。另外锂金属化学性质活泼,与电解液接触时会发生不可逆的副反应,形成固态电解质界面膜(SEI膜),消耗宝贵的电解液和锂金属。并且锂金属在充放电过程中会产生体积变化,导致电池在充放电过程中内部形成压力,影响电池的寿命和安全。
[0003]专利CN201810079938.5中公开了一种锂金属电池用负极材料及其制备方法和应用,提出了用三聚氰胺中的官能基团与锂离子的相互作用实现锂离子的平稳沉积,同时抑制体积膨胀,缓解电池内部应力,从而达到抑制锂枝晶生长的目的。但该技术方案中的三聚氰胺泡沫的孔隙率在90%以上,虽然这些空隙可以为锂离子的电化学沉淀提供空间,但同时也使电解液进入到空隙中,并没有解决锂金属与电解液接触带来的副反应问题,并且三聚氰胺泡沫中的骨架会破坏锂金属与电解液反应生成的固体电解质界面膜(SEI膜)的完整性,在充放电过程中引起SEI膜的不断破裂,进而导致锂金属和电解液持续发生不可逆的副反应,最终导致电池内阻变大,寿命下降。
[0004]专利CN202011437477.8中公开了一种锂金属负极及其制备方法和应用,提出了利用三聚氰胺泡沫和聚苯胺制备锂金属负极的缓冲层,该缓冲层利用三聚氰胺的弹性使锂金属负极可以适应充放电过程中的体积变化,利用聚苯胺的弱导电性,分散枝晶尖端电流,均化锂离子浓度,抑制枝晶生长。但该技术方案中仅仅利用了三聚氰胺的弹性性能,并且该技术方案中的聚苯胺的弱导电性虽然能够分散枝晶尖端电流,均化锂离子浓度,抑制枝晶生长,但是聚苯胺的弱导电性使电化学反应发生在缓冲层表面,这使电池更容易短路,并且该技术方案依然没有将锂金属和电解液隔离,依然不可避免发生副反应。
[0005]因此,目前的锂金属作为负极材料存在电极/电解液的界面不稳定、体积易变化和易产生锂枝晶的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是目前的锂金属作为负极材料存在电极/电解液的界面不稳定、体积易变化和易产生锂枝晶的问题,目的在于提供一种锂金属电池用负极材料、制备方法及应用,解决了目前的锂金属作为负极材料存在电极/电解液的界面不稳定、体积易变化和易产生锂枝晶的问题。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现:
第一方面,本申请提供一种锂金属电池用负极材料,包括三聚氰胺纳米颗粒、锂化碳纳米管和聚偏氟乙烯粘结剂;所述三聚氰胺纳米颗粒、锂化碳纳米管和聚偏氟乙烯粘结剂的质量比为(4~8):(1~4):(1~2)。
[0008]本申请的技术方案提升锂金属负极材料的电化学性能的原理如下:三聚氰胺中的胺基具有极性,利用三聚氰胺中的氨基对锂离子的吸附,在锂金属负极内部构建电化学活性空间,锂化碳纳米管具有良好的锂离子传导能力,同时与锂接触可以保持电化学稳定,利用锂化碳纳米管将锂金属与电解液隔离,减少副反应的发生,聚偏氟乙烯粘结剂与电解液不互溶,利用聚偏氟乙烯粘结剂将三聚氰胺纳米颗粒、锂化碳纳米管结合成一个整体,充电时,锂离子通过锂化碳纳米管到达三聚氰胺晶格中,与从集流体过来的电子结合后,被三聚氰胺的极性官能团吸附,随着充电的进行,锂原子从集流体开始生长,从而实现了锂离子均匀的电化学沉淀,抑制了锂枝晶生长,同时锂化碳纳米管和聚偏氟乙烯将电解液和锂金属隔离,避免了电解液和锂金属发生不可逆的副反应。
[0009]进一步的,所述锂化碳纳米管的制备方法为:锂箔加热至熔融态,然后将碳纳米管放于熔融态的锂金属的表面,直至碳纳米管由黑色变成金色,得到锂化碳纳米管。
[0010]进一步的,锂箔在水含量≤0.01ppm,氧含量≤0.01ppm的条件下加热。
[0011]第二方面,本申请提供一种锂金属电池用负极材料的制备方法,包括以下步骤:步骤1:制备锂化碳纳米管;步骤2:将步骤1中制备的锂化碳纳米管与三聚氰胺纳米颗粒进行研磨,使其形成均匀的锂化碳纳米管与三聚氰胺纳米颗粒的混合物;步骤3:将聚偏氟乙烯粉末溶于N

甲基吡咯烷酮溶液中,形成含有聚偏氟乙烯的N

甲基吡咯烷酮溶液;步骤4:将步骤2中得到的均匀的锂化碳纳米管与三聚氰胺纳米颗粒的混合物加入到步骤3中制备的含有聚偏氟乙烯的N

甲基吡咯烷酮溶液中研磨,使其形成均匀的浆料;步骤5:将步骤4中得到的浆料均匀的涂抹到铜箔上,然后进行干燥,在铜箔上形成一层薄膜;步骤6:将步骤5中得到的薄膜裁剪成极片形状,得到不含锂的负极材料;步骤7:将步骤6中得到的不含锂的负极材料进行电镀处理,得到含锂的负极材料。
[0012]进一步的,步骤1中锂化碳纳米管的制备方法为:锂箔加热至熔融态,然后将碳纳米管放于熔融态的锂金属的表面,直至碳纳米管由黑色变成金色,得到锂化碳纳米管。
[0013]进一步的,锂箔在水含量≤0.01ppm,氧含量≤0.01ppm的条件下加热。
[0014]进一步的,步骤3中含有聚偏氟乙烯的N

甲基吡咯烷酮溶液中的聚偏氟乙烯的浓度为5mg/ml

15mg/ml。
[0015]进一步的,步骤5中的薄膜厚度为30μm

100μm。
[0016]进一步的,步骤5中的干燥方法为:先在非真空环境中干燥,使N

甲基吡咯烷酮溶液挥发,然后再在真空环境中干燥。
[0017]第三方面,本申请提供一种上述锂金属电池用负极材料和制备方法制备的锂金属电池用负极材料在制备锂金属固态电池和锂金属液态电池中的应用。
[0018]本专利技术与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:本专利技术利用锂化碳纳米管作为锂金属和电解液之间的过渡层,该过渡层与电解液
和锂金属接触时,均能保持电化学稳定,可以避免电解液和锂金属发生副反应,同时锂化碳纳米管可以传导锂离子,在负极内部形成锂离子传输通道,为负极内部提供了良好的电化学动力学性能,三聚氰胺的氨基具有极性,可以控制锂离子的电化学沉淀,从而抑制了锂枝晶的生长,从而使得采用本申请的技术方案制备的锂金属电池用负极材料具有更高的循环寿命和安全性。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术示例性实施方式的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中:图1为本专利技术实施例1中的锂金属电池用负极材料的扫描电镜图;图2为本本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池用负极材料,其特征在于,包括三聚氰胺纳米颗粒、锂化碳纳米管和聚偏氟乙烯粘结剂;所述三聚氰胺纳米颗粒、锂化碳纳米管和聚偏氟乙烯粘结剂的质量比为(4~8):(1~4):(1~2)。2.根据权利要求1所述的一种锂金属电池用负极材料,其特征在于,所述锂化碳纳米管的制备方法为:锂箔加热至熔融态,然后将碳纳米管放于熔融态的锂金属的表面,直至碳纳米管由黑色变成金色,得到锂化碳纳米管。3.根据权利要求2所述的一种锂金属电池用负极材料,其特征在于,锂箔在水含量≤0.01ppm,氧含量≤0.01ppm的条件下加热。4.一种权利要求1所述的锂金属电池用负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:制备锂化碳纳米管;步骤2:将步骤1中制备的锂化碳纳米管与三聚氰胺纳米颗粒进行研磨,使其形成均匀的锂化碳纳米管与三聚氰胺纳米颗粒的混合物;步骤3:将聚偏氟乙烯粉末溶于N

甲基吡咯烷酮溶液中,形成含有聚偏氟乙烯的N

甲基吡咯烷酮溶液;步骤4:将步骤2中得到的均匀的锂化碳纳米管与三聚氰胺纳米颗粒的混合物加入到步骤3中制备的含有聚偏氟乙烯的N

甲基吡咯烷酮溶液中研磨,使其形成均匀的浆料;步骤5:将步骤4中得到的浆料均匀的涂抹到铜箔上,然后进行干燥,在铜箔上形成一层薄膜;步骤6:将步骤5中得到的薄膜裁剪成极...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈涛王克兵朱艾鹏
申请(专利权)人:成都工业学院
类型:发明
国别省市:

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