[發明專利]一種高比表面積金屬鋰負極及其制備和應用

有效

• 申請號: 201711256981.6
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN109873111B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 張華民;陳雨晴;張洪章;李先鋒;于瀅
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/052
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種高比表面積金屬鋰負極及其制備和應用，以高分子聚合物、鋰鹽、無機納米粒子為原料制成聚合物電解質片層，將聚合物電解質片層置于金屬鋰帶上方，從最右端逆時針卷繞，制備高比表面積金屬鋰負極；具有低外表面積、高內表面積的鋰金屬負極，通過對內部夾層的優化改性，加快鋰離子傳輸，改變枝晶生長方向，有效提高負極使用安全性能。并且，制備方法簡單高效，適用于大規模生產，有重要的實際應用價值。

技術領域

本發明涉及一種新型的鋰金屬負極結構

背景技術

隨著經濟的快速發展，人們對能源的消耗越來越大，不可再生資源日益減少，使得電池領域得到越來越多的關注。現有電池中，鋰離子電池研究最多，雖然鋰離子電池的能量密度較鉛酸、鎳氫等電池的要高，但仍不能滿足人們對更高能量密度的需求，因此科研工作者將研究重點轉移到金屬鋰二次電池。金屬鋰的高比容量(3860mAh/g)和低還原電位(-3.04V vs SHE)使其成為金屬鋰二次電池最有前景的負極材料。在金屬鋰二次電池中，鋰負極是影響電池電化學性能的主要因素，所以對鋰負極的研究是至關重要的。

經過幾十年的研究，金屬鋰負極主要存在兩方面問題。首先，鋰枝晶問題，即電池在充放電循環過程中鋰枝晶的生長會引起電池內部短路和嚴重的安全問題，并且也會導致SEI膜的重復破壞而引起金屬鋰和電解質之間的反應。第二，循環效率較低，原因有兩方面：充放電過程中金屬鋰表面的SEI膜的重復破壞和修復，進而消耗金屬鋰并縮短電池壽命；不可逆“死鋰”的生成也會降低鋰金屬電池容量。

提高鋰負極的比表面積是一種有效抑制鋰枝晶生長，提升鋰負極循環穩定性和安全性能的重要策略。在此基礎上，本專利提出了一種新型的高比表面積金屬鋰負極結構。通過提高負極比表面，鋰沉積溶解過程中的實際電流密度降低，有利于減小沉積溶解過電位，改善沉積均勻性。另一方面，該新型鋰負極結構通過卷繞法制備，具有較低的上表面積和較高的側表面積，通過對內部夾層的改性，提高內部鋰離子傳輸速率，能夠改變鋰沉積方向，緩解鋰枝晶刺穿隔膜造成的電池安全問題。該制備方法簡單高效，適合于大規模生產，具有重要的實際應用價值。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高比表面積金屬鋰負極結構。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種金屬鋰負極結構，

以高分子聚合物、鋰鹽、無機納米粒子為原料，制成聚合物電解質片層，將聚合物電解質片層置于金屬鋰帶上方，從最右端逆時針卷繞，制備高比表面積金屬鋰負極；

所述的高分子聚合物為聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一種或二種以上；

所述鋰鹽為六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰、二草酸硼酸鋰、二氟草酸硼酸鋰、雙三氟甲基磺酰亞胺鋰、三氟甲基磺酸鋰、雙氟磺酸亞胺鋰、高氯酸鋰中的一種或二種以上；

所述無機納米粒子為二氧化硅、碳酸鈣、二氧化鈦、二氧化錳、二氧化鋯、氧化銅、三氧化二鋁及金、銀、鐵、銅中的一種或二種以上。

上述金屬鋰負極制備方法，該方法采用如下步驟制備：

(1)將鋰鹽溶解在溶劑中，加入無機納米粒子，超聲0.2～5h以分散均勻；

再加入高分子聚合物，攪拌1～48h得到透明均一的溶液；

將溶液刮涂在平整的玻璃板或聚四氟乙烯板上，50～200℃下干燥1～48h，得到聚合物電解質片層。

(2)在相對濕度0.1％的條件下，將制得的聚合物電解質片層裁剪為0.1～5mm寬的帶狀，鋰帶裁剪為同樣寬度的帶狀，將聚合物電解質片層置于金屬鋰帶上方，從最右端逆時針卷繞，得到高比面積金屬鋰負極。