一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法，

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法


[0001]本专利技术涉及锂电池
，尤其是涉及一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法
。

技术介绍

[0002]随着当今社会高性能电动汽车
、
便携式电子设备
、
储能设备等需求的快速增长，开发具有更高比容量和倍率性能的锂离子电池的需求尤为迫切
。
传统锂离子电池在插层化学的基础上运行，为了保证锂离子在电极内外的可逆嵌入与嵌出，稳定的宿主材料不可缺少
。
而负极材料作为锂存储的主体，已成为提高锂电池性能的关键
。
随着锂离子宿主研究的深入和锂离子技术的不断优化，传统石墨为负极的锂离子电池的能量密度已接近理论极限，开发具有更高比容量和倍率性能的锂离子电池技术变得越来越迫切
。
与传统的石墨负极相比，锂金属负极具有超高的理论比容量
(3860mAh/g)
，被认为是下一代高能量密度储能系统最有前途的负极材料之一
。
然而，锂金属电池实际应用主要受到了以下三方面问题的制约：
①
锂枝晶生长；
②
锂金属高反应性；
③
电池循环过程中的体积变化
。
其中，锂枝晶的生长会导致负极表面的固态电解质界面层持续破坏与形成，造成容量衰减甚至短路引发电池热失控
。
高反应活性及体积变化会导致持续的副反应与不稳定的
SEI
生长
。
[0003]为了解决上述问题并延长锂金属电池的使用寿命，各大科研院所进行了大量的研究，并提出了多种抑制
Li
枝晶生长和增强界面稳定性的策略，如人工固态界面层
、
功能化隔膜
、
表面合金化及固态电解质等
。
在现有的策略中，人工固态界面层可直接针对不稳定的锂金属
/
电解质界面进行工程化，被认为是稳定锂金属实际应用和发展的重要途径
。
因此，如何合理设计和构建一个有效的界面层间克服界面问题是实现锂金属电池长期稳定运行的关键
。[Li Yanguang,Advanced Energy Materials,2020:1902343]使用
KOH
将硅晶片化学刻蚀为
20
‑
30um
的硅膜，将其激光切割后包裹在锂金属表面，经小电流密度充放电使得硅膜转化为具有机械稳定性和高离子导电率的锂硅合金薄膜，调节锂的均匀沉积
。
此外，
[Yunhui Huang,Energy Storage Materials,2020,31:181]发现隔膜表面涂覆一层薄硅层可以与锂枝晶反应生成
Li
x
Si
，起到枝晶“吸附剂”的作用，可实现均匀的
Li+
通量，抑制“尖端效应”，在长期循环过程中避免短路并实现锂损失的补充
。
然而，经化学刻蚀的硅膜厚度较厚，不可避免的降低了电池的能量密度，而较薄的膜无法进一步加工和转移
。
此外，与锂金属相似，硅材料在循环过程中存在巨大的体积变化，易粉碎化为死锂硅合金导致锂保护的失效
。
[0004]增加锂金属成核位点
、
均匀化锂离子通量
、
降低成核势垒的自由能
、
调节锂沉积的方向对锂金属的均匀沉积至关重要
。[Jian Gao,Nano letters,2021,21:1896]将石墨辊压在锂金属表面，通过高温预锂化形成一层具有良好的亲锂性，可以均匀化锂成核和生长的
LiC6与
LiF
人工固态界面层
。
然而石墨本身电子电导率较高，在循环过程中可以为
Li+
提供电子使得锂沉积在保护层上方，而非在下方均匀沉积，导致保护层失效
。
[0005]因此，开发一种具有较薄厚度
、
高离子电导率
、
低电子电导率
、
良好的机械性能
、
与
金属间有足够的附着力以适应循环过程中的大体积变化且能够均匀化锂离子通量的人工固态界面层对锂金属电池的实际应用尤为关键
。
本专利技术公开了一种用于锂金属保护的厚度薄
、
离子电导率高
、
电子电导率适中，体积变化小且能够实现锂均匀沉积的人工固态及其制备方法，并将其应用于锂金属电池
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是提供一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法，解决现有技术中锂金属阳极在充放电过程中存在严重枝晶及人工固态界面层不稳定的问题
。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0008]一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]S1、
将称量好的硅碳材料按照确定好的固含量加入到溶剂中，使用球磨机对材料进行分散，使硅碳材料的中值粒径达到要求，得到分散浆料；此外，也可使用气流粉碎机将硅碳材料物理粉碎至预定粒径，再按照确定好的固含量将粉碎后的硅碳材料加入到溶剂中，使用双行星搅拌使其充分分散；
[0010]S2、
将称量好的粘结剂按照确定好的固含量加入至另一份溶剂中制备得到粘结剂溶液；
[0011]S3、
将步骤
S2
中制备得到的粘结剂溶液加入至步骤
S1
中制备得到的分散好的浆料中进一步双行星搅拌分散后得到涂覆浆料；
[0012]S4、
将步骤
S3
中制备得到的涂覆浆料通过使用微凹涂布机或者流延涂布机将涂覆浆料涂覆至基材表面，并在涂布机烘箱中加热烘干，在基材表面得到一定厚度的待转移样品；
[0013]S5、
将步骤
S4
中制备得到的待转移样品通过辊压机连续转移至锂金属表面，并在烘箱中通过加热一定时间使得待转移样品完全预锂化，从而在锂金属表面得到人工固态界面层
。
[0014]作为优选，所述步骤
S1
中的硅碳材料为理论克容量分别为
400、450、500、600、650mAh/g
中的一种
。
[0015]作为优选，所述步骤
S1
及
S2
中的溶剂为二甲基甲酰胺
、N
‑
甲基吡咯烷酮
、
乙醇中的一种
。
[0016]作为优选，所述步骤
S1
中硅碳材料在溶剂中的固含量为
10
％
‑
15
％；所述步骤
S2
中粘结剂在溶剂中的固含量为5％
‑
20
％；所述步骤<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
将称量好的硅碳材料按照确定好的固含量加入到溶剂中，使用球磨机对材料进行分散，使硅碳材料的中值粒径达到要求，得到分散浆料；此外，也可使用气流粉碎机将硅碳材料物理粉碎至预定粒径，再按照确定好的固含量将粉碎后的硅碳材料加入到溶剂中，使用双行星搅拌使其充分分散；
S2、
将称量好的粘结剂按照确定好的固含量加入至另一份溶剂中制备得到粘结剂溶液；
S3、
将步骤
S2
中制备得到的粘结剂溶液加入至步骤
S1
中制备得到的分散好的浆料中进一步双行星搅拌分散后得到涂覆浆料；
S4、
将步骤
S3
中制备得到的涂覆浆料通过使用微凹涂布机或者流延涂布机将涂覆浆料涂覆至基材表面，并在涂布机烘箱中加热烘干，在基材表面得到一定厚度的待转移样品；
S5、
将步骤
S4
中制备得到的待转移样品通过辊压机连续转移至锂金属表面，并在烘箱中通过加热一定时间使得待转移样品完全预锂化，从而在锂金属表面得到人工固态界面层
。2.
根据权利要求1所述的一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
中的硅碳材料为理论克容量分别为
400、450、500、600、650mAh/g
中的一种
。3.
根据权利要求1所述的一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
及
S2
中的溶剂为二甲基甲酰胺
、N
‑
甲基吡咯烷酮
、
乙醇中的一种
。4.
根据权利要求1所述的一种用于锂金属保护的人工固态界面层的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
中硅碳材料在溶剂中的固含量为
10
％
‑
15
％；所述步骤
S2
中粘结剂在溶剂中的固含量为5％
‑
20
％；所述步骤
S1
中球磨分散时间为
5h...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓雄，文宇浩，杨杰，唐光盛，林久，戈志敏，
申请(专利权)人：浙江锋锂新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：