[發(fā)明專利]一種金屬鋰負(fù)極及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910895129.6
• 申請日: 2019-09-20
• 公開（公告）號: CN110660969B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂偉;張琛;康飛宇;黃志佳;張云博;韓志遠(yuǎn);游從輝;楊全紅
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳國際研究生院
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/66;B82Y30/00
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44311
• 代理人: 曾昭毅;鄭海威

本發(fā)明提供一種金屬鋰負(fù)極，包括負(fù)極集流體和沉積于所述負(fù)極集流體內(nèi)部的負(fù)極活性物質(zhì)層，所述負(fù)極活性物質(zhì)層的材料為金屬鋰，所述負(fù)極集流體包括集流體本體和包覆于所述集流體本體內(nèi)部孔隙表面及外表面的梯度導(dǎo)離子層，同時保證集流體的離子和電子傳輸，所述負(fù)極活性物質(zhì)層沉積于所述梯度導(dǎo)離子層表面，所述集流體本體為多孔導(dǎo)電材料，所述多孔導(dǎo)電材料的孔隙率為10％?95％，所述梯度導(dǎo)離子層為磷化鋰、氧化鋰、氮化鋰、硫化鋰、氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、碘化鋰、磷酸鋰中的至少一種，本發(fā)明還提供一種金屬鋰負(fù)極的制備方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種致密的金屬鋰負(fù)極及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著電動車、移動電子設(shè)備的飛速發(fā)展，開發(fā)新一代高能量密度電池體系迫在眉睫。在鋰-硫、鋰-空氣電池體系中，金屬鋰負(fù)極具有較高的理論比容量(3860mAh/g)，最低的電極電位-3.045V(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，且金屬鋰密度低，因此備受關(guān)注。但金屬鋰負(fù)極在充放電過程中不穩(wěn)定的沉積-脫出，容易產(chǎn)生枝晶和死鋰，降低電極的容量和穩(wěn)定性，一直未能成為商業(yè)化二次電池的負(fù)極材料。金屬鋰沉積-脫出過程中產(chǎn)生的體積變化，不但會使固體電解質(zhì)界面膜遭到破壞，不斷暴露新鮮的鋰與電解液反應(yīng)，消耗電解液，而且枝晶的生長會刺穿隔膜，導(dǎo)致電池短路，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。

合理設(shè)計三維集流體可有效緩解鋰枝晶的生長。雖然三維導(dǎo)電骨架可減小電極的有效電流密度，減緩枝晶的生長，但常用的銅、碳材料等集流體表面并不親鋰，不利于鋰金屬的均勻沉積。而且這些三維集流體通常較厚，內(nèi)部孔隙利用率很低，降低了電極的體積能量密度。在三維集流體表面包覆親鋰層可有效降低鋰金屬的形核過電勢，但通常會降低電極的導(dǎo)電性，且制備過程復(fù)雜，成本較高。

銅集流體是目前最常用的負(fù)極集流體，如何解決上述問題，在不影響導(dǎo)電性的同時，提高以銅為集流體的金屬鋰負(fù)極的鋰負(fù)載量是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要考慮的。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供一種金屬鋰負(fù)極及其制備方法。所述金屬鋰負(fù)極結(jié)構(gòu)致密，所述金屬鋰負(fù)極通過對集流體本體進(jìn)行梯度修飾，增強集流體本體與金屬鋰的親和性，且親鋰納米層與鋰離子反應(yīng)后所形成的梯度導(dǎo)離子層，在保證導(dǎo)電性的同時可實現(xiàn)鋰金屬的致密形核和均勻沉積。本發(fā)明提供的金屬鋰負(fù)極的制備方法步驟簡單、成本低廉，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明提供一種金屬鋰負(fù)極，包括負(fù)極集流體和沉積于所述負(fù)極集流體內(nèi)部的負(fù)極活性物質(zhì)層，所述負(fù)極活性物質(zhì)層的材料為金屬鋰，所述負(fù)極集流體包括集流體本體和包覆于所述集流體本體內(nèi)部孔隙表面及外表面的梯度導(dǎo)離子層，所述負(fù)極活性物質(zhì)層沉積于所述梯度導(dǎo)離子層表面，所述集流體本體為多孔導(dǎo)電材料，所述多孔導(dǎo)電材料的孔隙率為10％-95％，所述梯度導(dǎo)離子層為磷化鋰、氧化鋰、氮化鋰、硫化鋰、氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、碘化鋰、磷酸鋰中的至少一種。

進(jìn)一步的，所述梯度導(dǎo)離子層的厚度由所述集流體本體的一側(cè)往另一側(cè)逐漸降低或者增加，所述梯度導(dǎo)離子層的厚度范圍為1nm 至80nm。

進(jìn)一步的，所述集流體本體為銅納米線交織體、泡沫銅、多孔銅箔中的至少一種，所述集流體本體的孔隙率為40％-85％。

本發(fā)明還提供一種如權(quán)利要求1所述的金屬鋰負(fù)極的制備方法，包括以下步驟：

提供集流體本體，所述集流體本體為多孔導(dǎo)電材料，所述多孔導(dǎo)電材料的孔隙率為10％-95％；

將所述集流體本體置于一反應(yīng)爐中，在所述反應(yīng)爐中設(shè)置磷源、氧源、氮源、硫源、氟源、氯源、溴源或碘源中的至少一種，使所述集流體本體中的銅與所述磷源、氧源、氮源、硫源、氟源、氯源、溴源或碘源反應(yīng)，在所述集流體本體表面形成一親鋰納米層，所述親鋰納米層為銅的化合物；