[發明專利]一種具有親疏鋰梯度結構的鋰金屬復合負極及其制備方法

有效

• 申請號: 202010417075.5
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111599983B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 韓東梅;羅亞秋;孟躍中;肖敏;王拴緊;任山;郭林莉
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/052
• 代理公司: 廣州市深研專利事務所(普通合伙) 44229
• 代理人: 姜若天

本發明公開了一種具有親疏鋰梯度結構的鋰金屬復合負極及其制備方法，為三層結構：底層為3D多孔基體骨架，中間層為復合在3D多孔骨架上的親鋰層，頂層為復合在親鋰層表面的疏鋰層。包括（1）制取3D多孔基體骨架，清洗；（2）將3D多孔基體骨架轉移至配制好的前驅體溶液；（3）采用溶劑熱的方法使得3D多孔基體骨架上原位形成一層親鋰層；（4）在親鋰層上修飾一層疏鋰層；（5）最后采用電沉積的方法填充鋰即得。本發明利用親鋰層可以降低鋰金屬成核和沉積過程中的過電位，同時利用疏鋰層促進鋰離子擴散的特點，實現了鋰金屬持續循環過程中均勻的沉積和溶解，有效避免枝晶的生長，大幅度提高鋰金屬電池的循環壽命。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，具體涉及一種具有親疏鋰梯度結構的鋰金屬復合負極和鋰金屬電池。

背景技術

在現有的商業化二次電池中，鋰離子電池由于能量密度大、安全性能好、充放電壽命長和自放電低等優點，已廣泛應用于我們的生活中，如移動電話、便攜式計算機、攝影機，電動汽車等。然而，隨著數碼產品的不斷更新和電動交通工具的蓬勃發展，對電池容量的要求越來越高。可是目前商用的鋰離子電池負極材料大多為碳材料，使得鋰離子電池整體容量很難得到提升，選擇具有更高理論比容量的負極材料代替碳材料成為必然的發展趨勢。

鋰金屬具有較高的理論比容量（3860 mAh g^-1）和最低電極電位（-3.04 V相對于標準氫電極），采用鋰金屬作為電池的負極可以很好的解決能量密度的問題。即便如此，鋰金屬負極給鋰金屬電池帶來的穩定性和安全性的問題，使得鋰金屬電池目前尚難滿足實際使用的需求。具體問題包括：1）鋰金屬與電解液直接接觸，容易發生一些復雜的副反應，增加了電池的界面阻抗，影響了電池的循環效率；2）在循環過程中鋰離子不能均勻、致密地沉積于鋰負極表面，由此導致體積膨脹和電極的粉化；3）鋰負極表面形成的不穩定的SEI膜反復的破裂與再生會持續消耗電解液，導致低庫倫效率降低和不可逆的容量衰減；4）鋰枝晶的產生會刺穿隔膜，導致電池短路和安全隱患。

因此，采取一定的策略來優化鋰金屬負極，改善鋰金屬電池的安全性和提高穩定性，有助于推進鋰金屬電池實用化進程。

發明內容

針對背景技術所存在的問題，本發明的首要目的在于克服現在鋰金屬負極的技術難題，提供一種可以解決鋰金屬沉積問題的具有親疏鋰梯度結構的鋰金屬復合負極。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種具有親疏鋰梯度結構的鋰金屬復合負極，為三層結構：底層為3D多孔基體骨架，中間層為復合在3D多孔骨架上的親鋰層，頂層為復合在親鋰層表面的疏鋰層。

具有親疏鋰梯度結構的鋰金屬復合負極可以和鋰片組裝成電池，以合適的電流密度進行填充鋰，得到的具有親疏鋰結構的鋰金屬復合負極。合適的電流密度范圍為0.5~3mA cm^-2。

親鋰層，這類材料的導電性不足，過高的載量會增加電池的電阻，影響電池的充放電效率。合適的載量可以通過調整前驅體溶液濃度和反應時間控制，得到合適的親鋰層厚度。

所述的“親鋰”層，易于與鋰離子發生化學反應，降低鋰離子在3D多孔基體骨架上的成核過電勢。親鋰材料，往往導電性不是特別好，載量過多會增加電池的電阻，影響電池的充放電效率。優選地，親鋰層的厚度為0.5~4 um。厚度可以通過前驅體溶液濃度和反應時間控制。

疏鋰層，對于一些導電性差的高分子材料，過高的載量會增加電池界面阻抗，較大影響電池性能。合適的疏鋰層厚度可以通過前驅體溶液的濃度調節。

疏鋰層：1）具有一定的憎鋰特性，與金屬鋰不親和；2）物理和化學性質穩定，不溶解于電解質溶液，不與電解質發生反應；3）具有一定的機械強度和韌性；4）具有良好的離子傳導性。