[发明专利]一种基于液态金属的用于抑制锂枝晶的保护膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于液态金属的用于抑制锂枝晶的保护膜，该保护膜通过引入液态金属制备保护膜以保护锂金属电极，本发明旨在通过抑制锂金属电池在充放电循环过程中产生的锂枝晶，从而进一步解决锂金属电池循环稳定性低、易发生短路、电池安全等问题。上述保护膜的制备方法：一、将液态金属与粘弹体以一定比例的混合；二、将步骤一获得的混合物在光滑基底上涂抹成膜；三、将样品膜固化，即可完成基于液态金属保护膜的制备。本发明制备的保护膜能结合液体金属的自愈性和粘弹体的高韧性特点，有效地协同抑制锂金属电池中的锂枝晶生长，能经受住较高的电流密度且仍保持较好的循环稳定性。本发明可应用于锂金属电池领域，有助于实现锂金属电池商业化。

技术领域

本发明属于储能电池技术领域，具体涉及一种基于液态金属的用于抑制锂枝晶的保护膜及其制备方法。

背景技术

锂金属由于低电极电势(–3.040V)、高比容量(3860mAh·g^─1)的优点广泛受到人们关注，并被视为下一代高能二次电池中最有潜力的候选阳极之一。然而，锂金属电池在充放电循环过程中由于锂离子的不均匀沉积容易导致电极表面形成苔藓状或树突状的锂枝晶结构，造成电池库伦效率低、循环稳定性差、电解液干涸等问题。随着锂枝晶的进一步生长极有可能戳破隔膜使得电池正负极接触、电池短路甚至爆炸等安全性问题。因此，锂枝晶问题是锂金属电池面向商业化的主要阻碍之一。

近年来针对锂枝晶问题，人们尝试了很多方法去提高锂金属电池的循环寿命，比如引入三维的集流体，通过影响锂沉积初期的成核阶段，有效改善锂沉积行为；在电解液中加入添加剂，使循环过程中形成稳定均匀的固态电解质层，抑制锂枝晶生长；引入高硬度固态电解质，做到无枝晶生长；此外还有直接在锂金属电极表面涂覆一层人造保护膜，利用保护膜的机械性能释放枝晶生长的应力，避免破坏原生的固态电解质膜，进而起到抑制锂枝晶作用。尽管这些方法都取得了一定的突破，但均存在着一定的局限性。仅改善锂离子成核不适用于大倍率电流密度，且难以做到长时间稳定循环；电解液添加剂容易被特定的体系受限，普适性不高；高硬度的固态电解质难以解决电极与电解质之间的阻抗过大问题；柔性的保护膜抑制锂枝晶的效果有限。因此，要做到100％抑制锂枝晶仍是一个巨大的挑战。(Xin-Bing Cheng；Chong Yan；Xiang Chen；Chao Guan；Jia-Qi Huang；Hong-Jie Peng；RuiZhang；Shu-Ting Yang；and Qiang Zhang,Implantable Solid Electrolyte Interphasein Lithium-Metal Batteries,Chem 2017,2,258)

液体金属是一类低熔点、本征自愈的材料，且兼顾流体和金属的特质，它具有良好的离子传导性、流动延展性、化学稳定性。其低熔点的液态属性使得液态金属被视为一种很好的软导体，可用于制备柔性或可伸缩的电子器件；自愈的特性体现在一旦它的完整性被机械地破坏，其流动特性保证它会自然地倾向于自愈合。有研究揭示，液态金属应用到硅微粒电极中时，其作为有流动与自愈特性的软导体，有利于硅微粒之间的相互连接并保留电极原始形貌，在充放电过程中极大的减缓了硅电极体积膨胀的问题。正是由于具有这些特殊性质，使得液态金属逐渐受到广泛关注。

因此本发明引入液态金属的特殊性质，并结合粘弹体材料制备保护膜，既能够利用液态金属消融锂枝晶，又能够结合柔性保护层去缓解枝晶应力，做到有效地抑制锂枝晶的生长。

发明内容

本明提供了一种基于液态金属的用于抑制锂枝晶的保护膜及其制备方法。本发明能够有效地抑制锂金属电池充放电循环过程中产生的锂枝晶问题，提高电池的循环稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于液态金属保护膜的抑制锂枝晶方法，至少应该包括以下步骤：

(1)选择适量合适的液态金属；

(2)用低浓度的酸溶液或碱溶液对步骤(1)中选择的液态金属浸泡，以除去表面氧化物；