[發(fā)明專利]一種利用天然煤粉制備空氣穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極的方法

有效

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• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN110931766B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 晏成林;錢濤;楊庭舟
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 蘇州根號專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32276
• 代理人: 仇波

本發(fā)明涉及一種利用天然煤粉制備空氣穩(wěn)定的鋰金屬負(fù)極的方法，它包括以下步驟：（a）將煤粉干燥后置于真空條件下以除去氧氣得除氧煤粉；（b）使金屬鋰轉(zhuǎn)化成熔融鋰，向所述熔融鋰中加入所述除氧煤粉，攪拌、混合后進(jìn)行反應(yīng)得煤粉?鋰混合物；（c）將所述煤粉?鋰混合物冷卻至室溫即可。利用煤粉來合成空氣穩(wěn)定的金屬鋰負(fù)極，將煤與鋰充分混合反應(yīng)，利用煤的優(yōu)勢大大提高金屬鋰在空氣中的穩(wěn)定性，從而有利于鋰離子電池的推廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池材料領(lǐng)域，涉及一種空氣穩(wěn)定的鋰金屬負(fù)極材料，具體涉及一種利用天然煤粉制備空氣穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極的方法。

背景技術(shù)

隨著科技的不斷發(fā)展，商業(yè)化鋰離子電池已經(jīng)對我們的日常生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。但由于鋰電池固有的限制，使現(xiàn)有商業(yè)鋰電池組難以滿足便攜式電子設(shè)備，電動汽車和電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)在發(fā)展過程中對高能量密度存儲電池不斷增長的需求。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，石墨化碳、硅基材料、錫基材料等成為了時(shí)下最常見的鋰離子電池負(fù)極材料。

為了進(jìn)一步提升可充電電池的容量、穩(wěn)定性和循環(huán)壽命，鋰金屬作為鋰離子電池的“圣杯級”負(fù)極材料，將成為下一代高能量電池的首選。鋰金屬不僅可以被應(yīng)用于鋰空氣、鋰硫等高能量密度體系中，也可以與鋰離子正極材料配對實(shí)現(xiàn)二次電池能量密度的大幅度提升。但是，由于金屬鋰表面凹凸不平，電沉積速率差異造成沉積不均勻，導(dǎo)致在負(fù)極產(chǎn)生鋰枝晶；鋰枝晶不僅會與電解液發(fā)生不可逆反應(yīng)，形成極度不穩(wěn)定的電極/電解液界面，快速損耗電池容量和增加電池內(nèi)阻，還可能刺穿隔膜，造成電池短路。鋰金屬難以應(yīng)用的另一個問題是對潮濕氣氛的敏感性；空氣中的水分子會嚴(yán)重腐蝕鋰金屬表面，產(chǎn)生嚴(yán)重的副反應(yīng)，降低安全性，導(dǎo)致電池的生產(chǎn)成本急劇增加，對生成工藝的要求極高。如何提高金屬鋰負(fù)極在空氣中的穩(wěn)定性面臨重大的挑戰(zhàn)。

煤作為重要的能源資源，主要用于燃燒生產(chǎn)電力和供熱，也可用于工業(yè)用途，例如精煉金屬，生產(chǎn)化肥或其他化工產(chǎn)品。煤主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素構(gòu)成。深入了解褐煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，我們發(fā)現(xiàn)煤是一種有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，它富含苯環(huán)基團(tuán)、脂環(huán)烴、醚鍵、稠環(huán)芳香烴等疏水基團(tuán)，因此煤具有很強(qiáng)的疏水性，能夠有效的排斥空氣中的水分。同時(shí)煤表面含有少量的極性官能團(tuán)，能夠提高煤在熔融鋰當(dāng)中的濕潤性，促進(jìn)煤與鋰的充分混合。如果能夠充分利用煤優(yōu)勢，將煤與鋰充分混合，將能大大提高金屬鋰在空氣中的穩(wěn)定性，從而有利于鋰離子電池的推廣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種利用天然煤粉制備空氣穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極的方法，從而提高鋰金屬負(fù)極在空氣中的穩(wěn)定性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種利用天然煤粉制備空氣穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極的方法，它包括以下步驟：

(a)將煤粉干燥后置于真空條件下以除去氧氣得除氧煤粉；

(b)使金屬鋰轉(zhuǎn)化成熔融鋰，向所述熔融鋰中加入所述除氧煤粉，攪拌、混合后進(jìn)行反應(yīng)得煤粉-鋰混合物；所述除氧煤粉和所述金屬鋰的質(zhì)量比為1：1～10；煤過多就會混合不均勻，浮在熔融鋰表面；

(c)將所述煤粉-鋰混合物冷卻至室溫即可。

優(yōu)化地，步驟(a)中，所述煤粉是將煤塊進(jìn)行球磨制得，所述球磨的轉(zhuǎn)速為400～1000rpm、時(shí)間為1～5h；具體采用常規(guī)的行星式球磨機(jī)即可。

進(jìn)一步地，步驟(a)中，所述煤粉經(jīng)過干燥處理后置于真空條件下，所述干燥處理的溫度為80～150℃、時(shí)間為15～30h。

優(yōu)化地，步驟(b)中，將所述金屬鋰置于容器里熔化成液態(tài)熔融鋰。可選地，所述容器通常為鈦制燒杯?？蛇x地，步驟(b)中，通常在250～350℃將所述金屬鋰轉(zhuǎn)化成熔融鋰?？蛇x地，步驟(b)在氬氣保護(hù)的手套箱中進(jìn)行，所述手套箱中H₂O的濃度＜0.1ppm，O₂的濃度＜0.1ppm。

優(yōu)化地，步驟(b)中，混合均勻后進(jìn)行保溫或升溫反應(yīng)3～10h。