[發明專利]三維復合鋰金屬負極及其制備方法和鋰電池

在審

• 申請號: 202011639481.2
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112750983A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 薛安
• 申請（專利權）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/04;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 張夢媚

本發明公開了一種三維復合鋰金屬負極及其制備方法和鋰電池，該三維復合鋰金屬負極包括：鋰金屬；設于所述鋰金屬表面的多孔碳層；以及覆蓋在所述多孔碳層表面的多孔金屬?有機骨架層。該三維復合鋰金屬負極可有效的減少鋰枝晶的形成，緩解體積膨脹，調節鋰成核和均勻沉積，從而顯著提高鋰離子電池的首次庫倫效率和循環性能。

技術領域

本發明屬于鋰金屬電池技術領域，具體涉及一種三維復合鋰金屬負極及其制備方法，還涉及一種含有該三維復合鋰金屬負極的鋰電池。

背景技術

隨著便攜式電子設備、無人機、電動車和電網儲能的迅速發展，高能量密度、高功率密度、高安全性、長壽命的可充電電池備受關注。盡管基于傳統的石墨負極鋰離子電池取得了廣泛的應用，但其相對較低的理論能量密度限制了其進一步發展，尋找石墨負極的替代材料成為當前二次電池研究的關鍵。

鋰金屬負極因其具備極高的理論比容量(3860mAh/g)、極低的電位(-3.04V)、密度小、延展性好等一些系列優點而被認為是一種具有廣泛應用前景的負極材料。但現實中鋰金屬一直無法實現大規模商業化應用，這是因為，鋰金屬作為負極材料主要存在以下幾個問題：(1)鋰金屬化學性質活潑，易于電解液發生持續性的不可逆副反應，導致電解液被大量消耗，降低負極容量和電池循環壽命；(2)鋰金屬在沉積的過程中，容易形成樹枝狀或苔蘚狀的鋰枝晶，鋰枝晶不斷形成粉化形成“死鋰”，降低負極容量，同時鋰枝晶不斷生長，極易刺破隔膜，造成電池短路，產生安全隱患；(3)鋰金屬在充放電過程中，體積膨脹，使得電池嚴重形變，破壞電池循環穩定性。

針對鋰金屬負極的上述缺陷，公開號為CN109713224A的中國專利申請中公開了一種復合鋰金屬負極，具體為將液態鋰浸入具有多孔結構的導電骨架中，有效避免枝晶的形成，改善復合鋰金屬負極體積膨脹、循環性能差以及安全風險高等問題，使得復合鋰金屬負極具有循環性能好以及安全性能高的優點，使得應用該復合鋰金屬負極的電池具有高能量密度以及長循環穩定性；但是該制備方法較為復雜，涉及鋰金屬溶解溫度較高，增加了成本和風險且首次庫倫效率并未得到明顯改善。公開號為CN107808944A的中國專利申請公開了一種多孔金屬-有機骨架材料(MOF)與碳納米纖維(CNFs)材料組成的復合材料，用于金屬鋰負極保護，可以有效解決金屬鋰負極表面鋰枝晶生長的問題，提高鋰負極的循環穩定性，提高采用金屬鋰材料的二次電池的電池性能和安全性，但是將MOF-CNFs涂覆在隔膜上，可能會對隔膜的孔隙產生影響，造成隔膜孔隙堵塞，影響電解液的浸潤和鋰離子的傳輸，還可能會導致阻抗進一步增加。

發明內容

有鑒于此，本發明有必要提供一種三維復合鋰金屬負極及其制備方法和鋰電池，在鋰金屬表面設有多孔碳層，從而構建出三維多孔結構的導電碳支架，同時在多孔碳層上覆蓋一層MOF層作為離子篩，起到引流和過濾的作用，該三維復合鋰金屬負極有效的減少了鋰枝晶的形成，緩解體積膨脹，可調節鋰成核和均勻沉積，可顯著提高鋰離子電池的首次庫倫效率和循環性能。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明提供了一種三維復合鋰金屬負極，其包括：

鋰金屬；

設于所述鋰金屬表面的多孔碳層；

以及覆蓋在所述多孔碳層表面的多孔金屬-有機骨架層。

進一步的，所述多孔碳層的材料選自活性碳、介孔碳、超小微孔碳、多級結構多孔碳、空心碳球、空心碳纖維、活性碳纖維、碳納米管、碳分子篩、中空碳纖維中的一種或兩種以上的混合。

進一步的，所述多孔金屬-有機骨架層中的多孔金屬-有機骨架選自MOF-5、MOF-210、ZIF-8、HKUST-1、MIL-53、PCN-14、MOF808中的至少一種。

本發明還提供了一種如前述任一項所述的三維復合鋰金屬負極的制備方法，包括以下步驟：

獲得多孔碳；