[发明专利]一种掺氮的复合平面金属锂阳极、制备及其在锂金属电池中的应用

说明书

本发明公开了一种掺氮的复合平面金属锂阳极的制备与应用。所述的掺氮的复合平面金属锂阳极由平板集流体、均匀覆盖在平面金属集流体两侧的掺氮的中空碳纳米笼与胶粘剂活性层、以及存在于掺氮中空碳纳米笼中的金属锂组成。其优势在于，高比表面积中空碳纳米笼的存在有效地降低了金属锂成核和沉积过程中的过电位，而氮原子的掺杂提供了均匀的成核和沉积位点，使金属锂得意于向中空碳纳米笼的内部生长，从而实现了锂金属持续循环过程中均匀的沉积和溶解。此外，超薄的碳壁有效的阻挡了界面反应的发生，大幅度提高锂金属电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于储能器件领域，具体涉及一种金属锂电池的电极材料领域。

背景技术

商品化的锂离子电池在3C电子产品中已经得到了广泛的应用。但是，受限于石墨负极理论比容量(372mAh/g)的限制，使石墨负极组成的锂电池难以突破250Wh/kg的能量密度的瓶颈。因而，其在智能电网，电动汽车等领域的应用受到了极大的限制。因此，开发更高能量密度的锂电池迫在眉睫。

金属锂因具备高的理论比容量3860mAh/g，而备受关注。由金属锂组成的锂硫电池和锂空气电池可以分别展现2600Wh/kg和3500Wh/kg的超高能量密度。但是，锂枝晶，低的库伦效率以及巨大的体积效应限制了金属锂在这些电池中的使用。通过金属锂箔或者铜箔表面构筑稳定的人造SEI膜可以抑制锂枝晶的生长和提高金属锂沉积和溶解的库伦效率。如Nae-Lih Wu等人[J.Luo，C.-C.Fang，N.-L.Wu，High polarity poly(vinylidenedifluoride)thin coating for dendrite-free and high-performance lithium metalanodes，Advanced Energy Materials 8(2)(2018)1701482-1701488.]将极性的聚偏氯乙烯涂覆在铜箔上制备成工作电极，在2mA/cm²的电流密度下实现了60圈的稳定循环。而Jiang-Ping Tu等人[Y.-j.Zhang，X.-h.Xia，D.-h.Wang，X.-1.Wang，C.-d.Gu，J.-p.Tu，Integrated reduced graphene oxide multilayer/Li composite anode forrechargeable lithium metal batteries，RSC Advances 6(14)(2016)11657-11664.]将氧化石墨烯膜压制在锂片上制备了氧化石墨烯修饰的锂片，在0.4mA/cm²的电流密度下实现了100圈的稳定循环，成功抑制了锂枝晶的生长。但是无法解决金属锂沉积和溶解过程中巨大的体积膨胀和收缩。

此外，采用高比表面积的3D多孔集流体可以有效降低表观电流密度，因而大大降低了锂枝晶出现的概率。同时，3D多孔集流体巨大的内部空腔可以有效缓解金属锂沉积/溶解过程中体积的膨胀与收缩。如Fokko M.Mulder等人[Y.Xu，A.S.Menon，P.P.R.M.L.Harks，D.C.Hermes，L.A.Haverkate，S.Unnikrishnan，F.M.Mulder，Honeycomb-like porous 3Dnickel electrodeposition for stable Li and Na metal anodes，Energy StorageMaterials 12(2018)69-78.]通过氢气泡模板法制备了多孔镍，该多孔镍有效锂沉积/溶解过程中的体积效应，实现了在1mA/em²的电流密度下140圈的稳定循环。但是，3D多孔集流体高的比表面积也导致了大量界面反应的发生，因而使金属锂的库伦效率难以提高，最终使这类金属锂阳极难以得到产业化的应用。因此，同时有效解决枝晶问题，低的库伦效率问题以及巨大的体积效应问题是推动金属锂阳极走向实际应用的必由之路。

发明内容

针对现有金属锂阳极存在的枝晶、库伦效率低、体积效应大等问题，本发明旨在提供一种掺氮的复合平面金属锂阳极，旨在通过电极材料的设置，改善得到的金属锂阳极的电学性能。