[發明專利]一種體相微納結構的金屬鋰負極及其制備方法

在審

• 申請號: 201910094507.0
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109841828A
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 羅加嚴;劉山
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/1395;H01M10/052;B82Y30/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

本發明公開一種體相微納結構的金屬鋰負極制備方法,通過體相微納結構實現金屬鋰負極的穩定循環，具體步驟為首先通過將金屬鋰加熱到熔融狀態；其次,向熔融金屬鋰中加入不同含量金屬或金屬氧化物，充分混合攪拌后；最后,冷卻至常溫得到體相微納結構金屬鋰。本發明的體相微納結構金屬鋰由微米或納米結構的金屬鋰顆粒組成，可以有效緩解金屬鋰的體積波動問題。相比常規金屬鋰，微納結構的金屬鋰負極具有一定的抗粉化特性。體相微納結構的金屬鋰由于具有更多的晶界存在，因此表現出了更加快速的離子傳導特性。同時，體相微納結構的金屬鋰具備良好的循環穩定性，在金屬鋰的沉積溶解過程中，結構不會發生明顯的變化，能夠滿足電池長循環的需求。

技術領域

本發明涉及高儲能金屬鋰電池技術領域,具體設計一種體相微納結構的金屬鋰負極及其制備方法。

背景技術

目前，商品化的鋰離子電池比能量已經接近理論容量，很難繼續提高，因此開發具有更高比容量的電池是目前研究的熱點。金屬鋰負極由于具有高的理論容量，低的電化學電位以及輕的密度等優點而被視為理想的鋰電負極材料。然而由于鋰枝晶問題以及存在于金屬鋰與電解液間的持續副反應導致金屬鋰電池的應用一直受到限制。

鋰枝晶是由于金屬鋰在多次沉積/溶解過程中出現的樹枝狀的鋰沉積物。枝晶生長會帶來兩個方面的問題：(1)枝晶會刺穿隔膜導致電池短路，正負極內部的短路電流在電池內部生熱，造成電池系統熱失控，進而引發電池著火甚至爆炸等一系列安全問題；(2)枝晶會增加電解液與金屬鋰的副反應，消耗鋰活性物質，降低電池利用率。脫離集流體的鋰枝晶即為死鋰，死鋰的出現會減少可利用的活性物質，降低電池的效率和循環壽命。另外值得注意的是，所有的電極材料在充放電循環的過程中都會經歷體積變化，甚至連商業化的石墨電極也有10％的體積變化。而對于金屬鋰來說，由于其沒有載體材料，體積變化則更大。從實用的角度來看，單邊商用電極的面容量需要達到3mAh cm^-2，對于鋰來說將會有14.6μm的體積變化。這個數值在將來可能還會更大，意味著在循環過程中鋰界面的移動將會達到幾十個微米。這種體積變化對于穩定固液界面(SEI)極為不利，會造成電解液的持續消耗，進而嚴重影響電池的循環壽命。此外，巨大的體積變化還會導致電極粉化現象的發生，促使副反應進一步增加以及更多死鋰的產生。

因此，如何緩解金屬鋰的巨大體積變化，避免由于巨大體積變化導致電極出現粉化以及大量非活性物質的產生(尤其是大電流下充放電情況)，是決定金屬鋰負極能否實現應用的關鍵。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種體相微納結構的金屬鋰負極及其制備方法，通過構筑體相微納結構金屬鋰負極，可以很好地解決金屬鋰負極的穩定性問題。具體涉及在熔融金屬鋰中加入金屬或金屬氧化物，然后經過一定的冷卻工藝，得到體相微納結構的金屬鋰負極。目的是通過這種微納結構不僅可以有效緩解金屬鋰的體積波動問題，同時體相微納結構金屬鋰可以有效改善金屬鋰沉積/溶解過程中的離子/電子傳輸，提升電極反應的響應速度即改善金屬鋰負極的倍率性能。

相對于現有技術，本發明具有以下特點：本發明的體相微納結構金屬鋰由微米或納米結構的金屬鋰顆粒組成，可以有效緩解金屬鋰的體積波動問題。相比常規金屬鋰，微納結構的金屬鋰負極具有一定的抗粉化特性。體相微納結構的金屬鋰由于具有更多的晶界存在，因此表現出了更加快速的離子傳導特性。同時，體相微納結構的金屬鋰具備良好的循環穩定性，在金屬鋰的沉積溶解過程中，結構不會發生明顯的變化，能夠滿足電池長循環的需求。

作為本發明一種體相微納結構的金屬鋰負極，所述的體相微納結構金屬鋰是通過將金屬鋰加熱到熔融狀態，然后向熔融金屬鋰中加入不同含量金屬或金屬氧化物，充分混合攪拌后，冷卻至常溫得到體相微納結構金屬鋰。

作為本發明一種體相微納結構的金屬鋰負極，所述金屬或金屬氧化物為氧化鋁、氧化鈣、氧化鉍、氧化錫、氧化鋅、氧化硅、氧化硼中的一種或多種，金屬氧化物的尺寸為10～10000nm。

金屬或金屬氧化物的含量為1％～35％。