[發(fā)明專利]金屬鋰表面的電化學(xué)拋光方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610816640.9
• 申請日: 2016-09-12
• 公開（公告）號: CN107815724B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 谷宇;王衛(wèi)偉;毛秉偉
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: C25F3/18
• 分類號: C25F3/18
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務(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、對電極和參比電極分別與恒電位儀的工作電極、對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?？赏瑫r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最負(fù)的金屬，對其化學(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，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，人們嘗試運用物理和化學(xué)方法對金屬鋰表面進行保護。物理方法通常將高分子或無機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力學(xué)性能，且操作工藝復(fù)雜、成本高，難以實現(xiàn)規(guī)?；换瘜W(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，需要同時針對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，減少成核位點從而抑制鋰枝晶生長。事實上，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)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供可同時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、對電極和參比電極分別與恒電位儀的工作電極、對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。