[发明专利]一种具有高比表面保护层的金属锂负极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高比表面保护层的金属锂负极及其制备方法，所述金属锂负极包括基体、以及包覆于基体表面的由纳米导电碳材料形成的保护层，所述纳米导电碳材料为碳纳米纤维或/和碳纳米管。本发明提出的具有高比表面积保护层金属锂的保护效果明显，且成本低，制备简单，易于实现产业化，产业应用性强。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种具有高比表面保护层的金属锂负极及其制备方法。

背景技术

近些年来，随着移动电子设备的快速发展，对电池的能量密度要求越来越高，传统锂电池已经不能满足人类的需求。相对于传统的锂离子电池，金属锂的理论比容量高达3860mAh·g-1，是现有已知质量比能量最高的电极材料之一，且电极电位为-3.045V(vs.NHE)，还原性极强，因此金属锂作为锂电池负极一直受到研究者的广泛关注。

人们对锂金属作为电池负极材料的研究始于上世纪60年代，但金属锂一直未能成为商业化二次电池的负极材料主要因为在充放电过程中容易产生锂枝晶。如果锂枝晶从电极板上脱落形成“死锂”会导致电池容量损失；假如锂枝晶继续生长，则会刺穿隔膜接触正极导致电池内部短路，引发火灾甚至爆炸。这一问题严重限制了金属锂作为二次电池负极材料的应用。

针对锂枝晶这一问题，国内外学者已经做了大量研究。主要集中在以下几方面:(1)通过在电解液中加入添加剂，如Cs+(Ding,F.,et al.,Dendrite-free lithiumdeposition via self-healing electrostatic shield mechanism.J Am Chem Soc,2013.135(11):p.4450-6.)，LiFSI(Shkrob,I.A.,et al.,Why Bis(fluorosulfonyl)imideIs a“Magic Anion”for Electrochemistry.The Journal of Physical Chemistry C,2014.118(34):p.19661-19671.)等，在金属锂片表面形成SEI膜抑制锂枝晶生长，但普遍存在着随着循环次数的增加，添加剂逐渐失效的问题。(2)制备固态电解质，可以消除锂枝晶造成的安全问题，liu等(Liu,W.,et al.,Ionic conductivity enhancement of polymerelectrolytes with ceramic nanowire fillers.Nano Lett,2015.15(4):p.2740-5.)制备的固态电解质对枝晶起到有效的抑制，但是制备的电池导电性太差。(3)利用金属锂粉制备出高比表面积的金属锂负极。Heine等(Heine J,Krüger S,Hartnig C,et al.CoatedLithium Powder(CLiP)Electrodes for Lithium‐Metal Batteries[J].Advanced EnergyMaterials,2014,4(5).)直接利用模具将金属锂粉压成金属锂负极，得到的金属锂负极电化学性能有一定提升，锂枝晶数量一定程度上降低，但是循环性能也有待进一步提升。(4)目前在金属锂负极表面制备保护层被证明是解决锂枝晶的有效方式。Zheng等(Zheng G,Wang C,Pei A,et al.High-Performance Lithium Metal Negative Electrode with aSoft and Flowable Polymer Coating[J].ACS Energy Letters,2016,1(6):1247-1255.)在金属锂负极表面制备的聚合物膜有效的抑制了锂枝晶的生长。Luo等(Luo J,Lee R C,Jin J T,et al.A dual-functional polymer coating on a lithium anode forsuppressing dendrite growth and polysulfide shuttling in Li–S batteries[J].Chemical Communications,2017,53(5):963-966.)在金属锂负极表面采用Nafions/PVDF聚合物保护层修饰后循环稳定性得到了很大提升。