[发明专利]一种金属锂负极自适应弹性纳米修饰层制备方法

说明书

本发明公开了一种金属锂负极自适应的弹性纳米修饰层制备方法。所述方法是通过将一定量的处理液喷涂在金属锂负极表面或者将金属锂负极浸入到处理液中，得到带有自适应弹性纳米修饰层的金属锂负极，所述的处理液包括溶质、溶剂、添加剂三部分，其中溶质由具有聚醚链段的聚酯中的一种或一种以上与带有可反应性不饱和基团的羧酸组成。该方法得到的金属锂负极用于金属锂二次电池，能大幅提高目前电池的安全性能和循环性能，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及金属锂负极弹性纳米修饰层的构建及应用。

背景技术

随着电动交通工具、高端消费电子、智能机器人、无人机、航空航天等领域的快速发展，迫切需要更高能量密度、更高功率密度、更长寿命的二次电池。目前，以石墨为负极材料的传统锂离子电池无法满足日益增长的储能需求。金属锂具有高的比容量(3860mA h/g)和最低的电位(-3.04Vs标准氢电极)。因此，以金属锂为负极的金属锂二次电池具有高的工作电压和大的比能量等特点，是目前最具有潜力的下一代高比能量密度二次电池。但是金属锂负极与电解液的副反应以及枝晶问题严重阻碍了金属锂的商业化应用。一方面，锂枝晶的持续生长可能会穿刺多孔聚合物隔膜造成电池内部短路，导致安全性问题；另一方面，锂枝晶的生长造成金属锂的比表面积增大，增加了金属锂与电解液的副反应，造成电解液的耗尽和金属锂的大量消耗，金属锂枝晶的不均匀溶解产生“死锂”，造成金属锂负极的粉化，导致界面电阻增加，并且更加容易燃烧，增加安全隐患。

目前，国内外研究人员采用负极表面修饰、优化电解液、三维集流体、隔膜改性、固态电解质等方案来抑制锂枝晶的生长，并取得了一定的成果。然而，这些成果很难在根本上解决金属锂负极副反应及枝晶生长的问题。金属锂负极的固态电解质界面膜(SEI)在锂枝晶生长的过程中扮演者至关重要的角色。金属锂与电解质的反应形成SEI膜，SEI不能承受金属锂沉积引起的体积变化，从而引起SEI膜的破裂，造成金属锂的不均匀沉积，导致锂枝晶的成核和生长，并在新鲜的金属锂表面形成新的SEI膜。金属锂剥离过程中，SEI膜破裂，锂枝晶的不均匀溶解造成“死锂”。金属锂沉积及剥离过程中SEI膜不断的破裂与生成，导致大量的副反应、加速枝晶生长、以及“死锂”产生，是金属锂负极面临的重大挑战。因此，能够自动适应金属锂体积变化并且对金属锂不均匀沉积有一定调控作用的SEI膜或纳米修饰层将是解决金属锂负极的最理想方案之一。

本发明创造性地采用原位反应的方式在金属锂负极构建一层具有柔性和弹性的纳米修饰层，这种纳米修饰层能够自动适应金属锂沉积及剥离的体积变化，并且能够自动调控金属锂负极的沉积及剥离，能够有效传导锂离子并降低金属锂与电解液副反应的产生，抑制锂枝晶的生长，并大幅提高金属锂负极的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一类金属锂负极自适应弹性纳米修饰层的方案。

本发明提供的金属锂自适应纳米修饰层制备技术，包括如下步骤：将一定量的处理液喷涂在金属锂负极表面或者将金属锂负极浸入到液体中，反应一段时间，将处理液蒸干或者挥发完毕，得到带有自适应纳米修饰层的金属锂负极。

上述的制备方法中，所述的处理液包括溶质、溶剂、添加剂三部分。其中溶质由具有聚醚链段的聚酯中的一种或一种以上与带有可反应性不饱和基团的羧酸组成。所述具有聚醚链段的聚酯优选聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)，更优选聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)的组合。所述带有可反应性不饱和基团的羧酸选自丙烯酸或甲基丙烯酸、丁烯二酸或二酸酐，优选丙烯酸。

进一步优选的，所述聚醚链段的聚酯、带有可反应性不饱和基团的羧酸、添加剂三者的比例约(1－5)：(1－5)：(0.1-5)。