[發(fā)明專利]一種鋰金屬/鈉金屬負(fù)極的保護(hù)方法及產(chǎn)品

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910380977.3
• 申請(qǐng)日: 2019-05-08
• 公開（公告）號(hào): CN110224177B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李會(huì)巧;郭雁鵬;李典;翟天佑
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué);深圳華中科技大學(xué)研究院
• 主分類號(hào): H01M10/058
• 分類號(hào): H01M10/058;H01M10/052;H01M10/054
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 王世芳;李智

本發(fā)明公開了一種鋰金屬/鈉金屬負(fù)極保護(hù)方法及產(chǎn)品，屬于鋰金屬/鈉金屬電池負(fù)極材料及電化學(xué)領(lǐng)域，在任意氣氛下，將一類界面修飾材料預(yù)先構(gòu)筑在電池用隔膜上，得到預(yù)制隔膜，所述界面修飾材料與鋰負(fù)極的相互作用比與隔膜的相互作用更強(qiáng)，執(zhí)行電池組裝工序，其中，將預(yù)制隔膜上有界面修飾材料的一面緊密貼合金屬鋰負(fù)極，注入電解液，在電解液浸潤(rùn)下，利用界面修飾材料與金屬鋰之間的物理化學(xué)作用，界面修飾材料自發(fā)從隔膜向金屬鋰負(fù)極表面轉(zhuǎn)移，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鋰負(fù)極的保護(hù)。同樣原理的方法也適用于鈉金屬電池。本發(fā)明方法無須對(duì)鋰負(fù)極或者鈉負(fù)極直接操作，安全，可靠，工藝簡(jiǎn)單，適用條件寬泛，具有較強(qiáng)的工藝性和較好的實(shí)際效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰金屬/鈉金屬電池負(fù)極材料及電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰金屬電池鋰負(fù)極或者鈉金屬電池鈉負(fù)極的表面修飾改性技術(shù)及產(chǎn)品。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的礦物燃料在燃燒中產(chǎn)生大量的有害氣體和煙塵，不僅嚴(yán)重影響著自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境，對(duì)人類生存環(huán)境也構(gòu)成了巨大威脅。因此，開拓可再生清潔能源就成為當(dāng)務(wù)之急。鋰離子電池因其具體操作電壓寬、放電容量高、放電平穩(wěn)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品中。

近年來，隨著電動(dòng)汽車以及大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的日益崛起，需要相應(yīng)的電極材料具有更高的比容量、更高的能量功率密度以及更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。然而，現(xiàn)有的鋰二次電池因其比容量受限，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足先進(jìn)能源儲(chǔ)存設(shè)備要求。

鋰金屬負(fù)極由于其具有超高的理論比容量(3860mAh/g)以及最低的氧化還原電位(-3.04V)，被視為是鋰二次電池負(fù)極材料中的圣杯，既可以被應(yīng)用于鋰空氣、鋰硫等高能量密度電池中，也可以與鋰離子正極材料相匹配，從而達(dá)到先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的要求。

然而，鋰金屬負(fù)極在沉積過程中易形成不規(guī)則鋰枝晶，鋰負(fù)極與有機(jī)電解液的不可逆反應(yīng)，還會(huì)造成不可逆容量損失，使得循環(huán)性能迅速衰退。一方面，產(chǎn)生的鋰枝晶很容易脫落形成死鋰，不僅降低了電池的庫(kù)倫效率而且加劇了副反應(yīng)的發(fā)生。另一方面，形成的鋰枝晶極易刺穿隔膜而引起內(nèi)部短路，甚至發(fā)生起火或爆炸等安全事故。

針對(duì)上述問題，對(duì)鋰負(fù)極表面進(jìn)行合理修飾顯得至關(guān)重要，其中構(gòu)筑界面修飾層被認(rèn)為是最為有效一種解決措施。理想的界面修飾層需要具備優(yōu)異的電子絕緣離子導(dǎo)電特性以保證鋰離子的快速遷移及合適的鋰沉積位點(diǎn)，還需要具有良好的化學(xué)及電化學(xué)穩(wěn)定性，以保證其在長(zhǎng)循環(huán)過程中可有效保護(hù)金屬鋰表面，減少金屬鋰與電解液之間的副反應(yīng)。此外，界面修飾層也需兼具優(yōu)異的機(jī)械性能來緩沖金屬鋰沉積溶解過程中的體積膨脹以及抑制枝晶的持續(xù)生長(zhǎng)。

但是，目前，界面修飾層的構(gòu)筑技術(shù)尚存不足和挑戰(zhàn)，這主要是因?yàn)樯鲜龉に嚨年P(guān)鍵步驟涉及對(duì)鋰的直接操作，而金屬鋰具有超高的化學(xué)反應(yīng)活性，極易與大多數(shù)氣氛或試劑發(fā)生反應(yīng)，釋放出大量的熱或易爆炸氣體如氫氣，給金屬鋰的操作和儲(chǔ)存帶了極大的不安全性和復(fù)雜性。不僅對(duì)氣氛、試劑存在高度的選擇性，還因涉及到價(jià)格高昂的超純高干試劑和儀器設(shè)備，極大的限制了這類工藝的應(yīng)用普及性和大規(guī)模商業(yè)化。此外，很多材料體系據(jù)其本身的成分結(jié)構(gòu)是可用于鋰負(fù)極界面的修飾材料，但因構(gòu)筑氣氛和試劑對(duì)鋰的不兼容性，因此無法應(yīng)用到現(xiàn)有的表面修飾技術(shù)中。

為此，研究采用低成本、簡(jiǎn)單、不受環(huán)境設(shè)備限制、易于操作的鋰負(fù)極金屬的人工界面層構(gòu)筑技術(shù)是至關(guān)重要且十分有意義的。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種鋰金屬/鈉金屬電池負(fù)極保護(hù)方法及產(chǎn)品，其目的在于，通過對(duì)界面修飾材料和轉(zhuǎn)移工藝進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，將界面修飾材料預(yù)先構(gòu)筑在隔膜上，利用電池組裝過程中必然注入電解液而使得電解液浸潤(rùn)界面修飾材料，利用界面修飾材料在電解液浸潤(rùn)下的親鋰或者親鈉的屬性，發(fā)生自發(fā)轉(zhuǎn)移，從隔膜轉(zhuǎn)移到鋰負(fù)極或者鈉負(fù)極，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰負(fù)極或者鈉負(fù)極的保護(hù)，本發(fā)明方法無須對(duì)鋰負(fù)極或者鈉負(fù)極的直接操作，安全，可靠，工藝簡(jiǎn)單，使用條件寬泛，具有較強(qiáng)的工藝性和較好的實(shí)際效果。