[发明专利]一种三维多孔锂金属复合负极材料及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种三维多孔锂金属复合负极材料及其制备方法与应用。该制备方法先将编织不锈钢网进行酸洗、干燥等预处理得到洁净干燥的不锈钢网集流体；随后在辉光离子渗氮炉中进行低温表面掺氮处理，处理温度为300～500℃，处理时间为0.1～5小时；最后通过压片机将所得的表面掺氮处理不锈钢网与锂片进行机械压合，以制得三维多孔锂金属复合负极材料。本发明制备方法可控性强，工艺简单，成本低廉，易于实现产业化，可用于锂金属电池电极材料制备工业，显著提升电极材料的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种锂金属电池，特别是涉及一种三维多孔锂金属复合负极材料及制备方法与应用，属于多孔金属材料和锂金属电池领域。

背景技术

在全球能源与环境问题日趋紧迫的大背景下，可再生能源的获取与利用，以及高效安全的储能技术的研发一直是工业界和科学界关注的热点之一。锂离子二次电池作为能量存储器件，拥有高比能量、长循环寿命等优点，近十几年来其研究取得了长足进展，并在各类便携式电子设备和电动交通工具中获得了广泛应用。然而，随着各种高性能设备的不断涌现，特别是高巡航里程纯电动汽车的需求不断高涨，商业化的锂离子电池越来越难以满足其在能量密度、循环稳定性和安全性等方面的要求。

锂离子二次电池的容量、循环寿命等性能指标主要是由其电极材料(正极和负极材料)所决定的。目前已知的正极材料种类主要为锂的金属盐，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂三元材料等，主要发展方向是朝着高电压、高安全性发展，其比容量的提升相对有限。而目前商业上使用的负极材料为石墨，由于石墨的嵌锂过程为锂离子嵌入石墨片层的过程，整个过程体积膨胀较小(为12％)，因此具有较好的循环稳定性。但是，石墨负极理论容量较低，仅为372mAh/g，且目前商业化石墨负极的容量已接近其理论容量。为了进一步提高锂离子电池的能量密度，需要开发出高比容量的负极材料(硅、锡和锂等)以取代传统石墨负极。其中，锂金属负极材料，它具有极高的质量比容量(3860mAh/g)、低密度(0.59g/cm³)和最低的还原电位(-3.04V相比于氢标准电极)，被认为是一种理想的可充电电池负极材料。然而，锂的枝晶生长、锂金属电池低的库伦效率和锂的无主体沉积引起的体积膨胀等一些关键问题长期制约着锂负极的商业化应用。

锂负极通过锂在负极上的溶解和沉积来完成电池的充放电过程，在充放电循环中，锂枝晶会导致电池内部短路甚至发生爆炸，带来严重的安全问题。除此之外，锂枝晶还会增加负极表面积，新暴露的锂金属会与电解液反应生成固态电解质膜(Solidelectrolyte interface,SEI)，这会损耗活性材料、增加电池内阻以及降低电池的库伦效率。为了解决以上问题，目前解决方法有均匀锂离子浓度法、固态电解质膜(SEI)保护法、稳定沉积主体法等。这些方法能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题，但都未能达到商业化应用的要求。

固态电解质膜(SEI)保护法是指在锂金属负极表面原位或非原位地形成一层具有高锂离子电导性、高机械强度的固态电解质层，使得锂离子在充放电的过程中穿过固态电解质层，并在固态电解质层下实现稳定的沉积。此方法所制备的膜层可能无法适应锂负极在多次循环之后的体积变化而导致失效。

均匀锂离子浓度法常见的策略为增加电极的比表面积，降低局部的电流密度，减少锂沉积过程的枝晶生长或在负极上制备出具有微米-纳米孔洞结构的亲锂涂层，使得负极表面各处的锂离子浓度均匀化，降低平均电流密度，达到抑制锂枝晶生长的目的，同时锂的均匀沉积有助于提升库伦效率，并且孔隙有助于容纳锂沉积带来的体积膨胀。于是有研究者将普通的平面铜箔集流体换成各种三维多孔的集流体，然后再通过电化学沉积锂，制备成三维多孔锂金属复合负极材料。但是这些制备方法中三维多孔集流体材料和制造成本较高，工艺复杂，难以实现自动化和大规模产业化，而且其库伦效率仍不够理想。

发明内容