[發明專利]一種在鋰金屬負極表面構建雙層保護界面的方法

有效

• 申請號: 201910503536.8
• 申請日: 2019-06-12
• 公開（公告）號: CN110212166B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 錢濤;劉學軍;劉杰;晏成林
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;H01M10/052;H01M10/42
• 代理公司: 蘇州根號專利代理事務所(普通合伙) 32276
• 代理人: 項麗

本發明涉及一種在鋰金屬負極表面構建雙層保護界面的方法，它包括以下步驟：（a）將多聚磷酸與多元醇進行酯化反應形成多聚磷酸酯；（b）將所述多聚磷酸酯加入有機溶劑中配制成酯類處理液；（c）將鋰金屬片浸入所述酯類處理液中進行刻蝕反應即可。通過將活潑的鋰金屬片浸入含有一定質量含量的特定酯類處理液中進行刻蝕反應，這樣能夠在金屬表面通過原位刻蝕形成有機/無機雙層界面保護層，這樣使得處理后的金屬片在空氣中穩定存放，將其用于鋰金屬電池時能大幅提高其循環性能和安全性能。

技術領域

本發明屬于鋰金屬電池領域，涉及一種鋰金屬負極保護層的構建方法，具體涉及一種在鋰金屬負極表面構建雙層保護界面的方法。

背景技術

近些年來，隨著電動汽車、電網儲能和便攜式電子產品等得不斷發展，這直接促進了高能量密度電池的研究。鋰金屬具有最高比容量(3860mAh g^-1)和最低的氧化還原電位(-3.04V vs SHE)，因而被認為是替代現有商用鋰離子電池負極材料的潛在候選者。然而，具有高反應活性的鋰金屬會自發與有機電解質反應，從而形成不穩定的固體電解質界面層(SEI)。而在鋰金屬表面不斷發生的電鍍/剝離過程會引起鋰金屬本身體積的巨大變化，并伴隨SEI膜的結構破壞、碎裂，并在鋰金屬表面形成裂紋，這會引起電解液中鋰離子濃度的不均勻分布，裂紋處鋰離子濃度偏大，導致樹枝狀的非均勻性鋰沉積，進而引起鋰枝晶的生長。鋰枝晶在生長過程中容易刺穿隔膜，造成內部短路并引發安全問題。此外，SEI膜的重復性開裂以及鋰枝晶的生長會將鋰單質暴露于有機電解質中，并不斷與電解質反應形成新的SEI層。這導致電解液的快速耗盡和嚴重的鋰腐蝕過程，并進一步的影響電池的庫侖效率和壽命。因此，人工改性SEI層仍然是實現高性能鋰金屬負極的關鍵。

近年來，人們提出了許多穩定鋰金屬陽極的策略。通過對電解質的組成，例如添加劑、高濃度電解質和固態電解質等進行優化，可以提高原位形成的SEI層的穩定性；但是這種SEI層的力學性能較差，仍然難以避免之前所述的各種問題，因而循環穩定性較差；由有機聚合物、無機陶瓷及其雜化物組成的非原位涂層，具有相比于原位SEI層而言更強的機械強度。因而在鋰金屬表面引入這種非原位涂層可以明顯的改善原位SEI所面臨的脆性問題。然而，離子導電率低、聚合物的機械強度不足、陶瓷的界面接觸不良等問題仍然是鋰金屬負極在實際應用過程中的不可避免的問題。因此，構建一種結構合理、能同時提供快速鋰離子傳輸通道、高機械模量和良好形貌一致性的保護層具有十分重要的意義。

發明內容

本發明目的是為了克服現有技術的不足而提供一種在鋰金屬負極表面構建雙層保護界面的方法。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種在鋰金屬負極表面構建雙層保護界面的方法，它包括以下步驟：

(a)將多聚磷酸與多元醇進行酯化反應形成多聚磷酸酯；

(b)將所述多聚磷酸酯加入有機溶劑中配制成酯類處理液；

(c)將鋰金屬片浸入所述酯類處理液中進行刻蝕反應即可。

優化地，它還包括：

(d)將步驟(c)處理后的所述鋰金屬片用無水溶劑進行清洗，除去其表面的殘留液，置于真空條件下進行烘干。

優化地，步驟(a)中，所述多元醇為選自乙二醇、丙二醇、丁二醇、二甘醇、新戊二醇、丙三醇、三羥甲基乙烷、三羥甲基丙烷、木糖醇、山梨糖醇、蔗糖、新戊二醇、季戊四醇、聚氧化丙烯二醇和聚四氫呋喃二醇中的一種或多種組成的混合物。

優化地，步驟(a)中，所述多聚磷酸與多元醇的摩爾比為1：1～6。

進一步地，步驟(a)中，所述酯化反應的反應溫度為60～200℃、反應時間為30min～24h。

優化地，步驟(b)中，所述有機溶劑為選自環己烷、四氫呋喃、N-甲基吡咯烷酮、丙酮和二甲基甲酰胺中的一種或多種組成的混合物。