一种多元合金界面保护的锂金属负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多元合金界面保护的锂金属负极及其制备方法和应用，一种多元合金界面保护的锂金属负极，包括基底，还包括设置于基底上的复合界面层，基底为含锂的金属片，复合界面层为Li

【技术实现步骤摘要】
一种多元合金界面保护的锂金属负极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术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界面保护的锂金属负极及其制备方法和应用，属于高能量密度锂电池及其电极材料制备领域。

技术介绍

[0002]随着能源需求的不断增长，传统石墨负极的理论比容量仅为372mAh
·
g
‑1，难以满足高能量密度电池发展的需要。金属锂因具有最高的理论容量(3860mAh
·
g
‑1)、最低的还原电位(
‑
3.04 V vs标准氢电极)以及密度低(～0.54g
·
cm
‑3)等优点，使锂金属电池体系因具有极高的重量和体积密度而受到广泛关注。
[0003]然而，锂金属负极的实际应用仍然存在诸多问题和挑战：首先，锂的不均匀沉积会导致锂枝晶的不可控生长，存在严重的安全隐患；其次，复杂的界面反应使其形成不稳定的固体电解质界面(SEI)，极大降低电池的库伦效率；最后锂金属负极“无宿主”的特性导致其在循环过程中发生无限的体积变化。
[0004]针对上述问题，近年来，研究人员提出了很多策略构筑稳定锂金属负极，如(CN112151759A)通过磁控溅射在锂表面预先构筑复合界面以促进锂的无枝晶沉积；(CN110212166A)将锂金属片浸入酯类处理液中进行刻蚀反应形成界面保护层；或(CN114420889A)通过辊压复合的方式构筑亲锂性界面层等。但非原位预处理的方式步骤复杂，成本高昂，不利于产业化发展。因此高效、高质量地原位制备与锂金属紧密接触、可逆稳定的界面保护层对于锂金属负极实用化具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术所存在的不足之处，本专利技术提供了一种多元合金界面保护的锂金属负极及其制备方法和应用，通过电解液中的离子交换和电化学反应相结合，在锂金属负极表面构筑含Li
x
Ga
y
M
z
多元合金界面层，其中M选自In、Sn中的一种或两种，从而提升锂金属负极的循环稳定性。
[0006]为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种多元合金界面保护的锂金属负极，包括基底，还包括设置于基底上的复合界面层，基底为含锂的金属片，复合界面层为Li
x
Ga
y
M
z
多元合金界面层，其中M选自In、Sn中的一种或两种，且x+y+z＝1。
[0007]通过多元合金界面保护层与锂金属致密接触，具有出色的稳定性和良好的电荷转移动力学，抑制界面副反应的同时能促进锂的均匀沉积/溶解。多元合金界面优异的亲锂性有助于改善电解液润湿性，减小锂的形核势垒，锂基合金相的高扩散系数有利于锂离子实现快速迁移，二者协同有效抑制锂枝晶生长。该多元合金界面保护的锂金属负极在高面容量和大电流密度循环条件下表现出均匀致密的锂沉积形貌，体积膨胀效应得到明显缓解，使锂金属负极的循环稳定性和使用寿命明显提升。
[0008]优选的，基底为金属锂片或双相富锂合金片，双相富锂合金片包括Li
‑
Ga合金片、Li
‑
Sn合金片、Li
‑
In合金片中的一种或几种，且双相富锂合金片包括金属锂单质相和金属
间化合物/固溶体合金相。
[0009]优选的，复合界面层的厚度为100nm～10μm。
[0010]一种多元合金界面保护的锂金属负极的制备方法，方法包括以下步骤：
[0011]步骤一：将导电锂盐、添加剂加入有机溶剂中，充分溶解后得到基础电解液；
[0012]步骤二：在步骤一所得基础电解液中加入金属卤化物盐，加热搅拌溶解得到含金属添加剂的电解液；
[0013]步骤三：采用步骤二所得含金属添加剂的电解液组装对锂半电池，完成离子交换和电化学反应过程，得到多元合金界面保护的锂金属负极。
[0014]优选的，步骤一中，导电锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂中的一种或几种，导电锂盐在有机溶剂中的浓度为0.8mol/L～1.5mol/L。
[0015]优选的，步骤一中，添加剂为硝酸锂和氟代碳酸乙烯酯，添加剂含量占电解液的质量分数为1％～5％。
[0016]优选的，步骤一中，有机溶剂为1,3
‑
二氧戊环和乙二醇二甲醚，二者的体积比为1:1。
[0017]优选的，步骤二中，金属卤化物盐为氯化镓、氟化铟、氯化亚锡中的至少两种，所述金属卤化物盐含量占电解液的质量分数为0.5％～5％，加热温度为40℃～60℃。
[0018]优选的，步骤三中，含金属添加剂的电解液使用量为10μL～150μL，电化学反应采用电化学预沉积，其中锂预沉积量为1mAh
·
cm
‑2～5mAh
·
cm
‑2，电流密度为0.1mA
·
cm
‑2～2mA
·
cm
‑2。
[0019]一种多元合金界面保护的锂金属负极的应用，将多元合金界面保护的锂金属负极与正极材料钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂中的任一种匹配组装锂金属电池；或将该锂金属负极应用于Li
‑
S电池、Li
‑
air电池各类锂金属电池体系。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下优势：
[0021](1)本专利技术所制备的多元合金界面保护层具有出色的稳定性和和良好的电荷转移动力学，抑制锂金属界面副反应的同时促进锂的均匀沉积/溶解。多元合金界面优异的亲锂性有助于改善电解液润湿性，减小锂的形核势垒，且界面层中含有较高含量的LiF，其具有较高的锂离子电导率有助于锂离子的快速传输，二者协同有效抑制锂枝晶生长，进而提高锂金属负极的循环稳定性及安全性。
[0022](2)本专利技术通过电解液中简单的离子交换和电化学反应相结合，通过调整不同金属卤化物盐的添加比例和电解液使用量，可以很容易地控制合金界面层组分和界面保护层厚度，制作工序可操作性强，便于工业化推广应用，对推动锂金属负极在高比能锂电池领域的实用化具有重要意义。
[0023]本专利技术通过简单的离子交换和电化学反应相结合，在锂金属表面形成Li
x
Ga
y
M
z
多元合金界面层。该多元合金界面保护层与锂金属负极致密接触，有效减少活性锂的消耗并促进锂均匀沉积，从而提升锂金属负极的循环稳定性。本专利技术所制备的多元合金界面保护的锂金属负极制作工序可操作性强，可应用于Li
‑
S电池、Li
‑
air电池各类锂金属电池体系，能显著提高电池的安全性能和循环稳定性。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的实施例1中合金界面保护的锂金属负极的表面形貌扫描电镜图和元素分布图。
[0025]图2为实施例2中合金界面保护的锂金属负极的表面形貌扫描电镜图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多元合金界面保护的锂金属负极，包括基底，其特征在于：还包括设置于基底上的复合界面层，所述基底为含锂的金属片，所述复合界面层为Li
x
Ga
y
M
z
多元合金界面层，其中M选自In、Sn中的一种或两种，且x+y+z＝1。2.根据权利要求1所述的多元合金界面保护的锂金属负极，其特征在于：所述基底为金属锂片或双相富锂合金片，所述双相富锂合金片包括Li
‑
Ga合金片、Li
‑
Sn合金片、Li
‑
In合金片中的一种或几种，且双相富锂合金片包括金属锂单质相和金属间化合物/固溶体合金相。3.根据权利要求1所述的多元合金界面保护的锂金属负极，其特征在于：所述复合界面层的厚度为100nm～10μm。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述的多元合金界面保护的锂金属负极的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：将导电锂盐、添加剂加入有机溶剂中，充分溶解后得到基础电解液；步骤二：在步骤一所得基础电解液中加入金属卤化物盐，加热搅拌溶解得到含金属添加剂的电解液；步骤三：采用步骤二所得含金属添加剂的电解液组装对锂半电池，完成离子交换和电化学反应过程，得到多元合金界面保护的锂金属负极。5.根据权利要求4所述的多元合金界面保护的锂金属负极的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，导电锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂中的一种或几种，所述导电锂盐在有机溶剂中的浓度为0.8mol/L～1.5mo...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋英英，周晶晶，郭炳焜，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：