[發(fā)明專利]一種鋰電池用金屬鋰-氧化鋁復合負極及其制備方法

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• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111710842A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發(fā)明（設計）人: 段華南;田然
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;馬鞍山經濟技術開發(fā)區(qū)建設投資有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發(fā)明涉及一種鋰電池用金屬鋰?氧化鋁復合負極材料及其制備方法，該負極材料為金屬鋰和氧化鋁纖維組成的復合材料。將氧化鋁纖維置于金屬鋰片表面，形成覆蓋結構的復合負極。與現有技術相比，本發(fā)明具有循環(huán)穩(wěn)定性好，倍率下性能高，阻抗較低等優(yōu)點。

技術領域

本發(fā)明屬于電化學領域，涉及鋰電池用金屬鋰負極材料。

背景技術

鋰電池是指含有鋰元素(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的電化學儲能電池。鋰電池作為電化學儲能器件，是通過電化學反應使得化學能和電能能夠相互轉化。鋰電池儲能的機理非常簡單，它利用電能使鋰離子在電極上嵌入(脫嵌)，從而發(fā)生還原(氧化)反應，使得電能與化學能得到了轉化。現階段鋰電池的正極和負極材料主要為鈷酸鋰和石墨，由于由石墨和鈷酸鋰組成的鋰電池具有良好的電化學可逆性，鋰離子可以幾乎沒有損失地在正極和負極材料之間相互遷移，所以這種鋰離子電池又可以叫作搖椅電池。而由于正負極之間的電勢差距達到了3.7V，所以商用鋰離子電池的能量密度較鎳氫、鎳鎘電池等低電壓電池有著明顯的優(yōu)勢，幾乎達到了電化學的極限。在石墨-鈷酸鋰體系下鋰電池的能量密度可以達到140Wh kg^-1和200Wh L^-1，并且使用壽命達到了500次以上。

由于石墨理論比容量僅為372mAh g^-1，限制了鋰電池能量密度的進一步提高。金屬鋰因為具有3860mAh g^-1的理論比容量，最低的電化學電勢(-3.04V vs標準氫電極)，被認為是鋰電池下一代負極材料的最優(yōu)選擇，可以使鋰電池達到能量密度的極限。在實際使用中，金屬鋰負極的失活原因可以歸納為金屬鋰枝晶的生長，由于金屬鋰的高反應活性和無限的體積變化，會導致金屬鋰表面的SEI膜破裂，進而導致鋰枝晶的形成，電化學副反應的增多，以及死鋰的產生，這個過程會周而復始，導致金屬鋰逐漸失活，并會附帶有嚴重的安全問題和電池容量的衰減。在金屬鋰沉積的過程中會產生巨大的體積變化，從而導致金屬鋰表面的SEI膜發(fā)生破裂，在破裂處鋰枝晶會優(yōu)先生長；當在金屬鋰剝離的階段，枝晶的根處容易發(fā)生斷裂，使得其脫離與導電物的電接觸，進而形成了死鋰；在之后的循環(huán)中，這個過程不斷地發(fā)生，會導致金屬鋰表面形成多孔的鋰，并且會伴隨有大量的破裂的SEI膜和死鋰產生，這會阻隔電極表面離子的傳輸，從而導致容量的衰減。所以對于金屬鋰負極的開發(fā)與使用在現階段仍然具有極大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種鋰電池用金屬鋰-氧化鋁復合負極及其制備方法，具有循環(huán)穩(wěn)定性好，倍率下性能高，阻抗較低等特點，能夠顯著調高金屬鋰負極性能。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種鋰電池用金屬鋰-氧化鋁復合負極材料，該負極材料為金屬鋰和氧化鋁纖維組成的復合材料。

進一步地，所述的金屬鋰為金屬鋰片，金屬鋰片的厚度為10微米～1毫米，純度為99％以上。

進一步地，所述的氧化鋁纖維的直徑為100納米～50微米，為空心結構也或實心結構。

進一步地，所述的氧化鋁纖維的直徑為1微米～50微米，氧化鋁纖維為空心纖維。

進一步地，所述的氧化鋁纖維覆蓋在金屬鋰的表面，氧化鋁層的厚度為5～50微米，覆蓋量為0.1～5mg cm^-2。

一種鋰電池用金屬鋰-氧化鋁復合負極材料的制備方法，將氧化鋁纖維置于金屬鋰片表面，形成覆蓋結構的復合負極。

進一步地，所述的氧化鋁纖維采用直接覆蓋或涂覆的方式均勻覆蓋在金屬鋰片表面。

進一步地，所述的氧化鋁纖維在金屬鋰表面的取向為有序或無序。

進一步地，所述的復合負極在進行充放電循環(huán)過程中，原位形成金屬鋰與氧化鋁的填充結構及穩(wěn)定的SEI膜。