[發明專利]一種利用ZIF-8多孔碳材料抑制鋰枝晶生長的鋰電池負極

有效

• 申請號: 201810041720.0
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108258241B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 汪浩;徐小龍;劉晶冰;嚴輝
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/66;H01M4/133
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種利用ZIF?8多孔碳材料抑制鋰枝晶生長的鋰電池負極，屬于鋰電池負極技術領域。ZIF?8多孔碳材料：沸石咪唑酯骨架材料ZIF?8在惰性氣氛下退火制得的多孔碳材料。利用簡單的物理涂覆將ZIF?8多孔碳材料涂于金屬鋰片表面，形成多孔碳包覆的金屬鋰負極。該鋰電池能有效抑制充放電期間負極表面鋰枝晶的生長，不僅具有優越的循環性能，而且降低了電池使用中的安全隱患。可用于商業化大型鋰電池的負極。

技術領域

本發明涉及一種利用ZIF-8多孔碳材料抑制鋰枝晶生長的鋰電池負極，屬于鋰電池負極技術領域。

技術背景

鋰晶枝的產生主要是由于鋰離子在電極表面不均勻沉積，導致鋰在電極活性點位置的快速沉積，隨著電池循環次數的增加，鋰沉積程度逐漸加重，在一定條件下，沉積的鋰定向生成鋰枝晶，刺破隔膜，引起電池內部短路，造成安全事故。在電池的電化學性能方面，隨著電池充放電循環，持續生長的鋰枝晶會不斷消耗鋰離子，即使鋰枝晶沒有穿破隔膜造成安全問題，也會使大量的鋰離子失去電化學活性，導致電化學上的“死鋰”現象，表現為鋰電池容量減小、內阻增大等電化學性能的降低。為了提鋰電池的性能，人們從不同角度研究了枝晶抑制方法，研究發現多孔結構能夠抑制枝晶的生長。J.B.Goodenough等(ACS EnergyLett.,2016,1,633)報道纖維素多孔隔膜由于孔結構對鋰沉積的控制抑制了枝晶的形成。Simon等(Energy Environ.Sci.,2011,4,4016)和Zhu等(Science 2014,343,1210)報道在負極上構造三微孔結構能夠很好的抑制枝晶形成。因此，尋找孔結構有序，物化性質優越的多孔材料成為解決鋰電池負極枝晶生長的關鍵。

ZIF-8沸石咪唑酯骨架多孔材料作為一種具有規則孔結構和高比表面積的特殊模板前驅體碳材料具有合成工藝簡單、導電性好等優點。Zhou等(Energy Environ.Sci.，2014，7，2715)利用ZIF-8沸石咪唑酯骨架多孔材料為模板結合30wt％的硫單質退火后用于鋰硫電池在0.1C倍率下的可逆放容量能達到1055mAh g^-1，1C倍率下能達到710mAh g^-1。Chen等(J.Mater.Chem.A，2016，4，12471)報道的ZIF-8沸石咪唑酯骨架多孔材料模板前驅體用于鈉硫電池中，0.1C倍率下可逆放電容量能達到1000mAh g^-1，0.2C倍率循環250次放電容量仍為500mAh g^-1。可見ZIF-8沸石咪唑酯骨架多孔材料在電極材料性能提高方面的優勢。

目前鋰枝晶抑制中用到的多孔材料大都制備方法復雜，成本較高，尋找孔結構可控、電化學性能優異、合成方法簡單和成本低多孔材料成為抑制枝晶生長的關鍵。

發明內容

針對鋰電池中負極鋰枝晶生長對電池性能帶來的危害，本發明提供一種利用ZIF-8多孔碳材料抑制鋰枝晶生長的鋰電池負極的制備方法。本發明通過簡單的物理涂覆將ZIF-8碳化制得的多孔碳材料涂于金屬鋰片表面，形成多孔碳包覆的金屬鋰負極可以作為鋰電池的負極。

一種利用ZIF-8多孔碳材料抑制鋰枝晶生長的鋰電池負極的制備方法：

(1)制得ZIF-8沸石咪唑酯骨架材料；

優選：磁力攪拌條件下，將金屬硝酸鹽Zn(NO₃)₂·6H₂O溶于無水甲醇中，形成無色澄清溶液A；將有機配體2-甲基咪唑溶于上述溶液形成澄清溶液B，澄清溶液B繼續磁力攪拌至變渾濁形成乳濁液，金屬硝酸鹽Zn(NO₃)₂·6H₂O與有機配體2-甲基咪唑的質量比為7.71g:9.84g；將制得的乳濁液陳化24h，離心(優選6000～7000rad/min)并且洗滌3次得到白色膏狀物；將制得的白色膏狀物于60℃的鼓風干燥箱中干燥8h，并且在105℃的真空干燥箱中干燥6h，制得ZIF-8沸石咪唑酯骨架材料；