一种改性界面层、锂负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性界面层，所述改性界面层中包含Li3N

【技术实现步骤摘要】
一种改性界面层、锂负极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电池负极
，具体涉及一种改性界面层、锂负极及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着最近高科技电子产品和电动汽车发展的推动，全固态锂金属电池(ASSLMBs)成为下一代电池的候选者，与使用液态有机电解液的传统锂离子电池相比，高度安全的固态电解液(SE)可以避免有机液体电解液带来的潜在燃烧风险。
[0003]从能量的储存与转化机理来说，通过转化化学实现储能的锂金属，具有最低的电化学电位(与标准氢电极相比
‑
3.04V)和最高的理论比容量(3860mAh g
‑1，或2061mAh cm
‑3)。远远超过依托插层化学储能的石墨负极，被称为“圣杯”，是锂电池负极的最终选择。然而，固态锂金属电池仍然面临许多的挑战，比如锂金属负极在固态电池中：第一，固固界面接触不良，循环过程中导致极化较大；第二，锂枝晶的生长导致电池内短路和热失控；第三，与电解质的热力学相容性差导致副反应发生。现有技术中有研究学者通过堆垛压力可以实现紧密的界面接触，从而一定程度改善了电池循环过程中极化现象；但是对于如何抑制锂枝晶依然存在技术难题，尤其在高电流下锂离子均匀分布性显著下降，因此在高电流密度下电镀Li非常具有挑战性。
[0004]在现有技术中有研究学者通过增加界面缓冲层、实现电解液掺杂、锂负极改性等方法获得锂负极，从而克服锂负极在固态电池中的技术难题。其中以锂金属负极的界面改性高效且切实可行，通过对锂金属负极进行界面改性从而提高锂扩散系数，降低界面电阻并防止锂枝晶的形成。但是研究学者进一步发现即使选择对锂负极改性，也会因为制备方法和原材料的选择不同，而获得具有不同性能的最终锂负极改性界面层。第一，选择不同的原材料对锂金属负极改性，最终获得锂金属负极改性界面层中的相结构组成成分不同，从而直接影响最终获得的锂金属负极界面的性能，比如锂金属负极界面对锂离子的扩散能力；第二，采用不同的方法对锂金属负极改性，首先会影响锂金属负极界面层中相结构的组成成分；其次会影响锂金属负极界面层中相结构之间的比例；再者，会影响形成的锂金属负极界面层的厚度、形成的锂金属负极界面层的均匀性和平整性；最后，会影响形成的锂金属负极界面层的微观形态，而这些均会导致最终获得锂金属负极界面的性能之间的差异。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中的问题，公开了一种改性界面层、锂负极及其制备方法，本专利技术的含锂金属的负极具有如下的特点，第一，更高的离子电导率；第二，能减少锂枝晶增长的问题，使的锂均匀的沉积在含锂金属的负极表面，从而提升了电池的安全性；第三，本专利技术的含锂金属的负极可以避免与电解质之间发生副反应。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术提供了一种改性界面层，所述改性界面层中包含Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
相，所述x>0，y>0，所述Li
x
NO
y
化学式满足电荷平衡。
[0008]本专利技术的上述设计，粗糙的金属锂表面被抛光，在锂金属的表面原位生成的一层改性界面层，改性界面层中具有Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
相的有机大分子所形成的络合物包裹在锂金属表面。获得的原位改性界面层显示出光滑的表面和富含Li3N
‑
LiF的良好组织骨架，从而降低了局部电流密度，并且均匀化锂离子通量，实现了无枝晶的锂沉积，Li
x
NO
y
相可以提高锂离子的电导率，降低锂离子在界面处的扩散能垒，并且Li
x
NO
y
和Li3N有利于锂离子均匀快速扩散。原位生成的界面层还可以隔绝电解质和锂金属之间的副反应。本专利技术的上述设计的含锂金属的负极不仅具有更佳的电性能的基础上，还能减少枝晶的生长，从而有利于提高电池的安全性。
[0009]作为进一步方案，所述改性界面层的厚度为10nm
‑
10μm。
[0010]作为更进一步方案，所述改性界面层中包含Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
‑
Li
a
Si
b
相，所述x>0，y>0，a>0，b>0，所述Li
x
NO
y
和Li
a
Si
b
化学式满足电荷平衡。在具有Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
相的界面层中，在形成Li3N
‑
LiF骨架的基础上，均匀分散的Li
a
Si
b
相也为锂的电镀提供合适的沉积位点，以降低局部电流密度，均匀化锂离子通量，与Li
x
NO
y
和Li3N协同配合下促使锂离子均匀快速扩散。
[0011]作为进一步方案，所述包含Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
‑
Li
a
Si
b
相的改性界面层的厚度为1μm
‑
10μm。
[0012]作为进一步方案，所述改性界面层中还包括沉积锂。
[0013]作为更进一步方案，所述改性界面层中还包括Li2CO3相、LiOH相、Li2O相中的一种或多种。
[0014]本专利技术还提供了一种含锂金属的负极，所述含锂金属的负极包括所述改性界面层、锂金属层，所述改性界面层原位生长在锂金属层的表面。在本专利技术中，含锂金属的负极包括锂金属负极，还包括预锂化的负极，预锂化的负极具体表现为，预锂的石墨、预锂的硅碳、预锂的硅氧等预锂的负极。
[0015]作为进一步方案，所述改性界面层中包含Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
相的含锂金属的负极的最强峰为(200)晶面、(211)晶面中的一种。
[0016]作为进一步方案，所述改性界面层中包含Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
‑
Li
a
Si
b
相的含锂金属的负极的最强峰为(211)晶面。在电化学预处理过程中，越能优先诱导锂沿(211)晶面生长，更有利于抑制锂枝晶的生长。
[0017]本专利技术还提供了所述含锂金属的负极的制备方法，所述方法包括：
[0018]S1：将Si3N4颗粒溶于有机溶剂中，获得分散液；
[0019本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性界面层，其特征在于，所述改性界面层中包含Li3N
‑
LiF
‑
Li
x
NO
y
‑
Li
a
Si
b
相，所述x>0，y>0，a>0，b>0，所述Li
x
NO
y
和Li
a
Si
b
化学式满足电荷平衡。2.根据权利要求1所述的一种改性界面层，其特征在于，所述改性界面层的厚度为1μm
‑
10μm。3.根据权利要求1所述的一种改性界面层，其特征在于，所述改性界面层中还包括沉积锂。4.根据权利要求1所述的一种改性界面层，其特征在于，所述改性界面层中还包括Li2CO3相、LiOH相、Li2O相中的一种或多种。5.一种含锂金属的负极，其特征在于，所述含锂金属的负极包括权利要求1
‑
权利要求4任一项所述的改性界面层、锂金属层，所述改性界面层原位生长在锂金属层的表面。6.根据权利要求5所述的一种含锂金属的负极，其特征在于，所述含锂金属的负极的最强峰为(211)晶面。7.权利要求5
‑
权利要求6任一项所述的含锂金属的负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1：将Si3N4颗粒溶于有机溶剂中，获得分散液；S2：加入含氟锂盐，获得改性溶液；S3：用S2获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凡，高起发，伍登旭，
申请(专利权)人：长三角物理研究中心有限公司中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：