[发明专利]金属锂@碳复合材料、锂金属阳极及其制备和应用

说明书

本发明属于电池材料领域，具体公开了一种金属锂@碳复合材料，包括带有密闭的装填腔室的中空碳颗粒，以及填充在装填腔室内的金属锂；所述的中空碳颗粒的壳材料为石墨化碳。其优势在于，中空碳颗粒巨大的内部空腔提供了金属锂存储的位点，而中空碳颗粒表面的碳壁有效防止了金属锂与空气，电解液的直接接触，避免的界面反应的发生。得益于这些优势，中空碳颗粒保护的金属锂阳极可以在空气中稳定100h以上。本发明还公开了所述的金属锂@碳复合材料的制备和应用。

技术领域

本发明属于储能器件领域，具体涉及空气稳定的锂阳极颗粒的制备与应用。

背景技术

金属锂凭借极高的理论比容量和最负的电极电位，被誉为是锂电池行业界圣杯似的材料。将金属锂负极取代现有的石墨负极是未来锂电池行业界的必由之路。但是，金属锂负极高的活性导致其极易空气中的氮气，氧气，二氧化碳，水蒸气等反应。这些不可逆的反应给锂电池的制备带来了极大的安全隐患。同时，其也不可避免与电解液中的溶剂，添加剂持续反应，在锂沉积/溶解的过程中导致锂金属表面SEI膜的不断生成，破坏和累计，最终导致低的库伦效率和不可控制锂枝晶的生长。

因此，构造稳定的锂阳极，特别是实现在空气中稳定的锂阳极是目前学术界和工业界的研究的热点和难点。通过在商品化的锂粉表面构造一层氟化锂可以短暂保护金属锂不被空气腐蚀。如Woo Young Yoon等人[S.-T.Hong，J.-S.Kim，S.-J.Lim，W.Y.Yoon，Surface characterization of emulsified lithium powder electrode，Electrochimica Acta 50(2-3)(2004)535-539.]通过LiPF₆作为氟源对锂粉进行包覆得到氟化锂包覆的锂粉阳极，使该锂负极的性能得到极大的提升。但是，氟化锂极易潮解，导致该类锂阳极在空气中暴露数小时就完全被氧化。同时，氟化锂较低的离子电导率也导致电池极化的增加，使其难以在电池界得到真正的应用。

发明内容

针对金属锂阳极普遍存在的问题，本发明旨在提供一种空气稳定的金属锂@碳复合材料。

本发明第二目的一在于，提供一种所述的金属锂@碳复合材料的制备方法。

本发明第三目的在于，提供一种所述的金属锂@碳复合材料在金属锂电池或锂离子电池领域的应用。

本发明第四目的在于，提供一种添加有所述的金属锂@碳复合材料的碳复合平面金属锂阳极。

本发明第五目的在于，提供所述的碳复合平面金属锂阳极的制备方法。

本发明第六目的在于，提供所述的金属锂@碳复合材料的碳复合平面金属锂阳极作为电极材料的应用。

本发明第七目的在于，提供装配有所述的金属锂@碳复合材料的锂金属电池。

一种金属锂@碳复合材料，包括带有密闭的装填腔室(也可称为独立装填腔室)的中空碳颗粒，以及填充在装填腔室内的金属锂；

所述的中空碳颗粒的壳材料(壳体材料)为石墨化碳。

本发明所述的中空碳颗粒，其带有密闭的装填腔室，所述的密闭的装填腔室指该装填腔室与外部环境通过所述的中空碳颗粒的碳壳阻隔(封闭)。本发明所述的金属锂@碳复合材料，其具有核-壳结构，所述的核的材料为金属锂，所述的壳为所述的石墨化碳，所述的壳包覆所述的核，使核免于外界的空气等原子半径大于所述的石墨化碳的物料的影响。所述的核和壳之间允许留有空隙或者完全接触(没有空隙)。

本发明所述的金属锂@碳复合材料，所述的装填腔室为由石墨化碳(壳层)围成的独立腔室。

所述的金属锂穿过所述的中空碳颗粒的壳材料填充至所述的装填腔室内。