[發(fā)明專利]金屬鋰表面的電化學(xué)拋光方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610816640.9
• 申請(qǐng)日: 2016-09-12
• 公開（公告）號(hào): CN107815724B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 谷宇;王衛(wèi)偉;毛秉偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號(hào): C25F3/18
• 分類號(hào): C25F3/18
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

金屬鋰表面的電化學(xué)拋光方法，涉及金屬鋰表面處理。包括以下步驟：1)在電解池中設(shè)有電極室，在電極室內(nèi)注入電解液，并放入兩片金屬鋰片分別作為工作電極和對(duì)電極，并與金屬鋰參比電極構(gòu)成三電極體系；2)工作電極、對(duì)電極和參比電極分別與恒電位儀的工作電極、對(duì)電極和參比電極連接，以控制金屬鋰工作電極恒電位或恒電流極化；對(duì)工作電極施加氧化電位，使工作電極發(fā)生鋰的溶出反應(yīng),再對(duì)工作電極施加還原電流，并使工作電極在該還原電流下發(fā)生鋰沉積反應(yīng)，同時(shí)完成電解液的還原，即得大范圍原子平整的金屬鋰表面和分子尺度光滑的SEI膜，完成金屬鋰表面的電化學(xué)拋光。可同時(shí)獲得大范圍原子平整的鋰表面和分子尺度均勻光滑的SEI膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬鋰表面處理，尤其是涉及一種金屬鋰表面的電化學(xué)拋光方法。

背景技術(shù)

金屬鋰作為元素周期表中電勢(shì)最負(fù)的金屬，對(duì)其化學(xué)和物理性質(zhì)的研究具有重要學(xué)術(shù)意義(如鋰的晶相學(xué)和電沉積行為)和應(yīng)用價(jià)值(如金屬鋰二次電池)。然而，鋰金屬作為電池的負(fù)極，鋰沉積過程中的枝晶生長可引起電池短路，造成安全問題；同時(shí)，鋰的沉積-溶解過程伴隨大的體積變化，可導(dǎo)致其上的固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI)發(fā)生破裂而暴露新鮮的鋰表面，后者與溶液接觸發(fā)生反應(yīng)而消耗電解液并造成鋰的腐蝕，降低金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性和電池的庫侖效率。這些問題是制約鋰-硫和鋰-空等電池負(fù)極走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵因素之一。

過去的幾十年中，人們嘗試運(yùn)用物理和化學(xué)方法對(duì)金屬鋰表面進(jìn)行保護(hù)。物理方法通常將高分子或無機(jī)材料涂覆于金屬鋰表面以隔離其與電解液的接觸，可避免鋰枝晶的危害以及鋰表面的腐蝕，但其最大缺陷在于引入的隔離層降低了金屬鋰的動(dòng)力學(xué)性能，且操作工藝復(fù)雜、成本高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化；化學(xué)方法則致力于通過調(diào)節(jié)電解液的組成，尤其是使用添加劑和高濃度鋰鹽，使金屬鋰在浸泡或低電流循環(huán)過程中發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，以期形成化學(xué)和物理性質(zhì)良好的固體電解質(zhì)界面相(SEI)，在一定程度上抑制鋰枝晶的生長及腐蝕的發(fā)生。

然而，抑制鋰枝晶生長并緩解鋰沉積-溶解循環(huán)過程體積變化所帶來的危害，需要同時(shí)針對(duì)SEI膜的性質(zhì)和鋰表面形貌加以改善：理想的SEI膜應(yīng)該具有均勻致密、兼具彈性和剛性且僅對(duì)鋰離子導(dǎo)通的特性；平整光滑的鋰表面缺陷少，減少成核位點(diǎn)從而抑制鋰枝晶生長。事實(shí)上，鋰表面的平整光滑性也是促使形成均勻致密SEI膜的重要基礎(chǔ)。因此，SEI膜的制備不僅依賴于電解液的組成，而且與成膜方法和過程，尤其是鋰表面形貌密切相關(guān)，常規(guī)的浸泡和小電流化成方法所獲得的SEI膜在上述性能方面仍存在較大不足。

然而，金屬鋰具有十分活潑的表面化學(xué)，光滑的高質(zhì)量鋰表面的制備具有極大的挑戰(zhàn)性，以至于鋰表面形貌研究未受到足夠重視。因此，亟待發(fā)展方法，獲得高質(zhì)量光滑的鋰表面和性能優(yōu)越的SEI層，為基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提供平整光滑的鋰表面和性能優(yōu)越的金屬鋰負(fù)極。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供可同時(shí)獲得大范圍原子平整的金屬鋰表面并在其上形成致密、均勻和分子尺度光滑的富鋰SEI層，不僅為鋰-硫和鋰-空電池等的實(shí)際應(yīng)用提供性能優(yōu)越的金屬鋰負(fù)極，而且為金屬鋰晶相學(xué)等研究提供平整光滑鋰表面的一種金屬鋰表面的電化學(xué)拋光方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)在電解池中設(shè)有電極室，在電極室內(nèi)注入電解液，并放入兩片金屬鋰片分別作為工作電極和對(duì)電極，并與金屬鋰參比電極構(gòu)成三電極體系；

2)工作電極、對(duì)電極和參比電極分別與恒電位儀的工作電極、對(duì)電極和參比電極連接，以控制金屬鋰工作電極恒電位或恒電流極化；對(duì)工作電極施加氧化電位，使工作電極發(fā)生鋰的溶出反應(yīng)(即電化學(xué)剝離過程),再對(duì)工作電極施加還原電流，并使工作電極在該還原電流下發(fā)生鋰沉積反應(yīng)(即電化學(xué)沉積過程)，同時(shí)完成電解液的還原，即得大范圍原子平整的金屬鋰表面和分子尺度光滑的SEI膜，完成金屬鋰表面的電化學(xué)拋光。