[發(fā)明專利]一種鋰金屬負(fù)極柔性保護(hù)材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110649403.9
• 申請(qǐng)日: 2021-06-10
• 公開（公告）號(hào): CN113410451B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李星;韓峻山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/42
• 代理公司: 北京風(fēng)雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 李翔

本發(fā)明公開了一種鋰金屬負(fù)極柔性保護(hù)材料及其制備方法，本發(fā)明以廉價(jià)的天然蠶絲、鎳鹽和2,4,7?三氨基?6?苯基蝶啶為原料，結(jié)合在N₂氛圍高溫?zé)Y(jié)技術(shù)，得到具有良好電化學(xué)性能的鋰金屬負(fù)極柔性保護(hù)材料，在電流密度1.0mA cm^?2條件下，循環(huán)使用700次，庫倫效率仍能保持在99.5％以上。本發(fā)明合成方法簡單，易于操作，成本低，設(shè)備投資少，適合批量生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰金屬電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰金屬負(fù)極柔性保護(hù)材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li⁺在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li⁺從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。近年來，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于水力、火力、風(fēng)力和太陽能電站等儲(chǔ)能電源，以及電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、軍事裝備、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。目前二次電池市場常用的有三種電池，分別是鎳鎘電池，鎳氫電池和鋰離子電池，鎳鎘和鎳氫電池之間主要差別在于鎳氫電池能量密度比較高。與相同型號(hào)電池對(duì)比，鎳氫電池容量是鎳鎘電池的二倍。這意味著在不為用電設(shè)備增加額外重量時(shí)，使用鎳氫電池能大大地延長設(shè)備工作時(shí)間。鎳氫電池另一優(yōu)點(diǎn)是大大減少了鎳鎘電池中存在的“記憶效應(yīng)”問題，從而使得鎳氫電池可更方便地使用。鎳氫電池比鎳鎘電池更環(huán)保，因?yàn)樗鼉?nèi)部沒有有毒重金屬元素。鋰離子電池和鎳氫電池相比，鋰離子電池能提供和鎳氫電池一樣的能量，但在重量方面則可減少大約35％，這對(duì)于攝像機(jī)和筆記本電腦之類的用電子設(shè)備來說是至關(guān)重要的；而且鋰離子電池自放電率不到鎳氫電池的1/20；鋰離子電池完全沒有“記憶效應(yīng)”和不含有毒物質(zhì)綠色環(huán)保。但是，隨著電動(dòng)汽車等動(dòng)力設(shè)備的快速發(fā)展，以石墨為負(fù)極的鋰離子電池已經(jīng)達(dá)到理論能量密度的極限，低的能量密度已經(jīng)逐漸不能滿足人們的生活需求。

鋰金屬具有3860mAhg^-1的比容量(石墨負(fù)極：372mAhg^-1)，0.54g/cm²的低密度和-3.045V標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢，是下一代動(dòng)力電池的研究熱點(diǎn)。但是，鋰金屬電池中部分重新沉積的鋰可能會(huì)與本體材料失去電接觸，在反復(fù)循環(huán)之后失去活性。致密鋰金屬向多孔鋰金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)變也會(huì)導(dǎo)致鋰負(fù)極中電場分布不均勻，導(dǎo)致后續(xù)電極循環(huán)過程中的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生演化，進(jìn)一步加速了鋰沉積的不均勻性，最終會(huì)形成枝晶，可能會(huì)刺穿隔膜，從而引起電池內(nèi)部短路，造成嚴(yán)重的安全問題，如著火和爆炸等。此外，鋰枝晶的生長會(huì)導(dǎo)致具有保護(hù)作用的固體電解質(zhì)界面層(SEI)的破壞，由于鋰金屬和電解液的持續(xù)消耗，導(dǎo)致SEI膜反復(fù)破碎和修復(fù)，導(dǎo)致庫侖效率(CE) 低下，循環(huán)壽命縮短。

對(duì)此，研究者采取了多種方法來抑制鋰枝晶的生長。Gan等人制作了裝飾在碳布上的帳篷狀氮摻雜多孔碳微孔，引導(dǎo)鋰離子通量，降低成核過電位和降低局部電流密度，從而調(diào)節(jié)金屬鋰的成核和生長行為(J.Mater.Chem. A,2020,8,13480-13489)。Zhang等人將原位合成具有有序介孔通道的S摻雜碳納米球作為安全穩(wěn)定的鋰金屬陽極的功能支架，碳球的S摻雜、大表面積和有序的介孔結(jié)構(gòu)提供了均勻的成核位點(diǎn)，調(diào)節(jié)了局部電流密度，導(dǎo)致了均勻的鋰成核和隨后的無枝晶生長(Nano Energy,69,2020,104443)。以上研究提出了抑制枝晶生長的思路，在一定程度上抑制鋰枝晶的生長，但是針對(duì)鋰金屬負(fù)極保護(hù)材料的處理工藝較為復(fù)雜，未能達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的要求，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)利用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，提供一種成本低、工藝簡單、適用規(guī)模化生產(chǎn)的抑制鋰枝晶生長的鋰金屬負(fù)極柔性保護(hù)材料及其制備方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種鋰金屬負(fù)極柔性保護(hù)材料的制備方法，所述制備方法采用以蠶絲、鎳鹽和2,4,7-三氨基-6-苯基蝶啶(簡稱氨苯基蝶啶)為原料，結(jié)合在N₂氛圍高溫?zé)Y(jié)技術(shù)，得到一種鋰金屬負(fù)極柔性保護(hù)材料，具體包括以下步驟：