[發(fā)明專利]一種貧鋰復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211618580.1
• 申請(qǐng)日: 2022-12-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115763774A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高劍;鄧云龍;鄧金祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川啟睿克科技有限公司;四川長(zhǎng)虹電子控股集團(tuán)有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 四川省成都市天策商標(biāo)專利事務(wù)所(有限合伙) 51213
• 代理人: 胡慧東

本發(fā)明公開(kāi)了一種貧鋰復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法，包括以下步驟：將生物質(zhì)碳材料碳化得到生物質(zhì)碳；將生物質(zhì)碳進(jìn)行高溫石墨化，得到多孔狀的石墨化碳材料；在石墨化碳材料中引入極性活性基團(tuán)，然后用去離子水清洗至中性，干燥后得到生物質(zhì)碳的混合碳材料，將其進(jìn)行干法壓片；將金屬鋰液涂覆在生物質(zhì)碳的混合碳材料表面，采用真空滲透吸附將金屬鋰液完全浸潤(rùn)在混合碳材料的內(nèi)部；采用同時(shí)采用聚四氟乙烯刮刀進(jìn)行真空刮涂，將表面的金屬鋰液鋪平，冷卻后得到貧鋰復(fù)合負(fù)極材料。該負(fù)極材料可以解決電池體系中能量密度低和長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰電池負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種貧鋰復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著動(dòng)力電池在能量密度和安全性上的需求量逐漸擴(kuò)大，鋰離子電池成為了中科研工作者以及企事業(yè)研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，尤其是針對(duì)高能量密度的鋰離子電池進(jìn)行了大量的研究。由于金屬鋰負(fù)極具有極高的理論比容量(3860mAh·g^-1)和極負(fù)的電勢(shì)(-3.040V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，最終確定在電池體系中采用金屬鋰負(fù)極材料是一個(gè)比較好的選擇。但是，在整個(gè)電池體系中仍然存在著大量的問(wèn)題，主要有以下幾點(diǎn)：(一)鋰離子在電化學(xué)沉積過(guò)程的不均勻，導(dǎo)致鋰枝晶的生長(zhǎng)，同時(shí)產(chǎn)生體積膨脹影響整個(gè)電池體系的安全性；(二)金屬鋰的高反應(yīng)活性與電解液反應(yīng)生成不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面膜(SEI層)，這將導(dǎo)致“死鋰”的產(chǎn)生以及電解質(zhì)的不斷消耗影響電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性的衰減；(三)金屬鋰的存儲(chǔ)環(huán)境和電池裝備環(huán)境的水氧含量要求較高，這將需要嚴(yán)格控制整個(gè)過(guò)程的水氧含量以保證金屬鋰不被氧化，限制了電池裝配環(huán)境和材料的保存運(yùn)輸條件無(wú)形之中增加了電池的成本。在目前的研究體系中，很多研究者在負(fù)極添加過(guò)量的鋰源來(lái)彌補(bǔ)電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中活性鋰的損失，但是這種操作雖然提升了電池的循環(huán)性能，但是在能量密度上卻大大降低，這與采用金屬鋰作為負(fù)極材料的初衷相違背。同時(shí)，如果采用與正極材料容量相匹配的金屬鋰負(fù)極，其金屬鋰的厚度太薄，機(jī)械性能太差難以完成電池的裝配問(wèn)題和保證在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的材料穩(wěn)定性。所以，眾多研究者將金屬鋰附著在銅集流體上來(lái)支撐金屬鋰薄片；此時(shí)，金屬鋰與銅集流體的界面阻抗、金屬鋰自身高反應(yīng)活性以及不均勻的鋰沉積位點(diǎn)均仍沒(méi)有得到解決。

為了解決金屬鋰的在充放電過(guò)程中的一些列問(wèn)題，科研工作者進(jìn)行了大量的研究，從多方面去改性金屬鋰負(fù)極材料來(lái)實(shí)現(xiàn)一定程度的改善，其中包括：調(diào)控電解液添加劑、采用固態(tài)電解質(zhì)膜、修飾集流體、金屬鋰表面涂覆保護(hù)膜等方法。至今為止，仍然沒(méi)能找到一種方式均能克服以上問(wèn)題。雖然現(xiàn)有的研究工作中針對(duì)金屬鋰負(fù)極進(jìn)行了改性，使其在鋰枝晶生長(zhǎng)、體積膨脹以及“死鋰”的形成方面有一定程度的改善，但仍不能滿足目前高能量密度電池在安全性能和電化學(xué)循環(huán)性能上的需求。除此之外，針對(duì)于金屬鋰的高反應(yīng)活性仍然沒(méi)有較好的方式來(lái)避免其在空氣中氧化。同時(shí)在電池體系中正極中間體透過(guò)隔膜進(jìn)入到負(fù)極材料表面雜質(zhì)，這將導(dǎo)致活性正極活性材料的損失以及金屬鋰負(fù)極表面被堵塞，目前該問(wèn)題仍然沒(méi)有得到較好的解決。同時(shí)在使用薄鋰帶或鋰片作為負(fù)極時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度不足以支撐長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中的體系膨脹，在軟包電池體系中，更容易出現(xiàn)“斷帶“，從而降低電池整體容量。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種貧鋰復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法，采用生物質(zhì)多孔碳材料作為框架結(jié)構(gòu)，引入活性基團(tuán)和構(gòu)建活性位點(diǎn)，將金屬鋰液自蔓延技術(shù)和真空吸附方式進(jìn)行填充，最終形成貧鋰型復(fù)合負(fù)極材料。在制備多孔碳材料的過(guò)程中，通過(guò)不同孔徑碳材料之間的復(fù)合、燒結(jié)溫度以及在碳基底材料壓制過(guò)程中壓力大小的調(diào)節(jié)來(lái)控制鋰填充量。通過(guò)三維的碳骨架穩(wěn)定了整個(gè)負(fù)極材料在充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，引入的活性基團(tuán)和活性位點(diǎn)有利于鋰液的自蔓延吸附，同時(shí)采用真空吸附方式將熔融的金屬鋰液引入到碳骨架材料的間隙當(dāng)中，減少了多余鋰的量，最終形成了一種低成本、無(wú)枝晶生長(zhǎng)的貧鋰復(fù)合負(fù)極材料。有利于解決電池體系中能量密度低和長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差問(wèn)題。

為了達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：