[發明專利]一種金屬鋰復合負極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201911319785.8
• 申請日: 2019-12-19
• 公開（公告）號: CN111063863B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 李晶澤;姚澤宇;李坤艷;賈維尚
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/052
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 代維凡

本發明公開了一種金屬鋰復合負極材料及其制備方法和應用，屬于鋰金屬二次電池領域。金屬鋰復合負極材料由含金屬鋰的基底和涂覆在含金屬鋰材料上的聚合物電解質保護膜組成。制備時將聚合物電解質溶液涂覆于含金屬鋰的基底表面，溶劑揮發完全后在含金屬鋰的基底表面形成聚合物電解質保護膜。本發明中復合材料的制備方法簡單，原料安全易得，成本低，易于規模化，所得到的金屬鋰復合負極材料應用于金屬二次電池，可抑制鋰枝晶產生，能有效提高電池的庫倫效率和循環壽命。

技術領域

本發明屬于電池材料技術領域，具體涉及一種金屬鋰復合負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著不可再生的化石燃料的快速消耗和環境的不斷惡化，用綠色新能源取代化石燃料已經成為一個主要研究方向。鋰電池由于具有較高的能量密度，不僅能夠為手機、電腦等便攜式電子產品提供理想能源，也能夠滿足未來新能源電動汽車的高安全、高能量密度和高倍率等需求，正以其不可替代的優勢在人們生活扮演著越來越重要的角色。因此，對新一代高儲能密度電極材料的研究迫在眉睫。鋰金屬因具有超高容量(3860mAh/g)和最負電化學勢(相對于標準氫電極為-3.040V)被認為是超越鋰離子電池的下一代電極而受到廣泛的研究關注。

然而，金屬鋰直接作為負極材料仍存在很多問題：金屬鋰由于其極高的反應活性幾乎可以與所有的電解質反應，導致有機電解質的分解，引起隨機的針狀鋰沉積，使電池內部短路，引發安全隱患；金屬鋰二次電池循環效率較低，充放電循環過程中所發生的金屬鋰沉積與溶解的過程會導致電極巨大的體積形變，從而使得鋰電極表面SEI膜的反復破裂而引起金屬鋰和電解質之間的副反應，進而不斷地消耗金屬鋰。這些存在的問題使金屬鋰電池得不到大規模的實際應用。因此，為了解決這些問題，抑制枝晶生長的策略在過去的幾十年中得到了廣泛的研究。主要包括：使用鋰合金代替鋰金屬、引入三維集流體、改性負極固體電解質界面(SEI)膜以及使用固態電解質等。這些方法在延長壽命、改進庫倫效率和穩定SEI層方面取得了一定的進展。然而，上述方法工藝復雜，不適合大規模生產和應用，目前急需一種簡單有效的抑制鋰枝晶的方法。聚合物電解質膜由于能直接將鋰電極與液體電解質隔絕，避免副反應的發生，并起到均勻化鋰離子通量從而抑制鋰枝晶的作用，被視為一種有前景的方法。因此，如何通過簡單有效的方式引入具有高機械強度以及高離子電導率的聚合物電解質膜，形成金屬鋰復合負極材料，對于抑制金屬鋰枝晶產生，提高電池安全性具有重要意義。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提供一種金屬鋰復合負極材料及其制備方法和應用，以解決金屬鋰負極材料在電池循環過程中由于副反應嚴重、鋰枝晶生長導致的庫倫效率低、壽命短等問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：提供一種金屬鋰復合負極材料，本發明中的金屬鋰復合負極材料包括含金屬鋰的基底以及涂覆在所述含金屬鋰的基底上的聚合物電解質。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，含金屬鋰的基底為純金屬鋰、鋰合金、金屬鋰與三維骨架材料形成的復合物、金屬鋰與碳質材料形成的復合物、鋰合金與三維骨架材料形成的復合物或鋰合金與碳質材料形成的復合物。

進一步，鋰合金經過以下步驟制得：

S1：將金屬鋰加熱至200～800℃，使其成為熔融狀態；

S2：將其他物質加入到S1所得熔融狀態的金屬鋰中，保溫5～60min，然后靜置、冷卻至室溫，得鋰合金；所述其他物質為硼、鎂、鈣、鋅、銦、鋁、錫、硅、鍶、銻、鋇、鉛、鉍、銅和鎳中的至少一種，其與所述金屬鋰的摩爾比為1:90～120。

進一步，碳質材料為結晶碳、無定形碳或結晶碳與無定形碳的組合物。結晶碳包括石墨、氧化石墨烯、石墨烯及其衍生物，如天然石墨或者人造石墨等，其為板狀、片狀、球形、纖維狀等形式。無定形碳為軟碳(在低溫下燒結的碳)、硬碳或燒結焦炭。

進一步，聚合物電解質包括聚合物和鋰鹽，或者是聚合物電解質包括聚合物、鋰鹽和無機填料。