[發明專利]一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極及其制備和應用

在審

• 申請號: 202010872216.2
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN111799443A
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 洪波;賴延清;邢孝娟;姜懷;張治安;張凱;方靜
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/62;H01M4/1395;H01M10/052
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 袁靖

本發明屬于鋰金屬電池領域，具體公開了一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極及其制備和應用。所述三維多孔金屬鋰負極由多孔導電集流體，復合在多孔導電集流體表面的人造SEI膜以及負載在多孔導電集流體骨架上的金屬鋰組成。本發明多孔導電集流體可以顯著降低金屬鋰負極循環過程中的表觀電流密度；而人造SEI膜可以顯著降低金屬鋰與電解液的接觸，抑制界面副反應，實現在大電流密度下長壽命和高庫倫效率的穩定循環。

技術領域

本發明屬于鋰金屬電池領域，具體涉及一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極及其制備與應用。

背景技術

金屬鋰擁有極高的理論容量，極低的電極電位，使之成為一種極為理想的負極材料，金屬鋰電池的負極通常為金屬鋰單質，發生的是金屬鋰的沉積和溶解。電池的作用機制為，充電:Li++e＝Li；放電:Li-e＝Li+；金屬鋰為陽極的鋰硫電池和鋰空氣電池在近幾年中得到長足的發展。但是，鋰枝晶和鋰金屬電池循環過程中巨大的體積效應限制了其實際的應用。為了應對枝晶的風險和減緩體積效應。大量的策略，如優化電解液中的鋰鹽，溶劑，功能性的添加劑甚至是離子液體也被廣泛的開發和研究。Malachi等人[Zhang K,Li J,Li Q,et al.Improvement on electrochemical performance by electrodeposition ofpolyaniline nanowires at the top end of sulfur electrode[J].Applied SurfaceScience,2013,285:900-906.]通過原子/分子氣相沉積在金屬鋰表面沉積10nm左右的Al₂O₃SEI層，抑制枝晶生長，保護鋰電極在這些研究的背后，科研者們取得了可喜的成績，大量的鋰枝晶被成功的抑制，但是，在高電流密度下的鋰金屬電池循環過程中的巨大體積效應始終還有待解決。

近年來，科研工作者發現，將金屬鋰負載在三維多孔集流體中可以有效緩解金屬鋰沉積/溶解過程中巨大的體積變化。同時，三維多孔集流體豐富的比表面積可以充分降低電極表面的電流密度，使金屬鋰在較低的電流密度下無枝晶的鋰沉積如Yu-Guo Guo等人[S.-H.Wang,Y.-X.Yin,T.-T.Zuo,W.Dong,J.-Y.Li,J.-L.Shi,C.-H.Zhang,N.-W.Li,C.-J.Li,Y.-G.Guo,Stable Li metal anodes via regulating lithium plating/strippingin vertically aligned microchannels,Advanced Materials 29(40)(2017)1703729-1703736.]通過制備了多孔銅，實現了在電流密度為1mA/cm²的下200圈的穩定循環。但三維多孔集流體是一把雙刃劍，其超高的比表面積在降低電極表面的電流密度同時，也導致了金屬鋰與電解液接觸面積的大大增加。從而加大界面副反應的發生。因此，目前傳統的負載金屬鋰的三維多孔金屬集流體難以作為鋰金屬電池的陽極材料在工業上得到真正的應用。

發明內容

針對金屬鋰陽極普遍存在的電流密度不能充分降低、無法有效抑制鋰枝晶的問題，本發明旨在提供一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極。

本發明第二目的在于，提供一種所述的一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極的制備方法。

本發明第三目的在于，提供一種所述的一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極在制備鋰金屬電池中的應用。

通過所述的結構調控和材料制備，旨在獲得一種無體積膨脹，優化鋰金屬電池的電化學性能的負極。

本發明還能提供裝配所述的一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極的金屬鋰電池。本發明所述的一種二次電池用三維多孔金屬鋰負極，包括多孔導電集流體、復合在多孔導電集流體表面的人造SEI膜構成的多孔導電集流體骨架，以及負載在多孔導電集流體骨架上的金屬鋰。