[发明专利]一种抑制锂枝晶生长的薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于抑制锂枝晶生长的薄膜材料及其制备方法，在本发明中将一定量的1,2‑二甲基咪唑，适量的聚丙烯腈溶于一定体积的N,N‑二甲基甲酰胺中，搅拌，得到淡黄色的混合物溶液前驱体；然后在一定的电压、流率及一定的相对湿度氛围下进行静电纺丝，然后烘干后的纺丝产品依次浸泡在含有Co²⁺离子的甲醇溶液中，随后浸泡在含有1,2‑二甲基咪唑甲醇溶液中，然后管式炉中氮气氛围烧结，得到一种能够锂枝晶的生长薄膜材料，从而提高了锂电池的循环使用寿命和安全性。在材料整个制备过程中，操作简单，原料成本低，设备投资少，适合批量生产。

技术领域

本发明属于材料化学领域，具体涉及到锂电池中抑制锂枝晶生长的一种薄膜材料及其制备方法。

背景技术

金属锂是目前已知的密度最低的金属材料，并且具有较高的理论比容量(3840mAh/g)。此外，与标准氢电极相比，Li⁺/Li组成的氧化还原电对能够提供最低的氧化还原电位(-3.04V)，这一特性让锂离子二次电池在使用过程中具有较高的工作电压(BruceP G等人，Nature Materials,2012,11(1):19-29；Jung J W等人，Journal of MaterialsChemistry A,2016,4(3):703-750；Xu J J等人，EnergyEnvironmental Science,2014,7(7):2213-2219)。上述优异的性能使得金属锂受到了研究者的广泛关注。然而，金属锂负极在实际应用的过程中依旧面临着许多难点，其主要难点包括以下三个方面：一是金属锂负极与电解液界面上的复杂反应导致界面阻抗的不断增加，从而降低了充放电循环过程中循环效率；二是随着循环圈数的不断增加，金属锂反复的进行嵌入和脱出反应，锂负极会产生严重的体积膨胀效应，造成负极活性物质的脱落，继而降低了电池的循环效率；三是金属锂在电极表面的不均匀沉积会在负极表面形成大量锂枝晶，锂枝晶从电极上脱落进入电解液中会形成“死锂”，导致电极活性物质的损失；若锂枝晶持续生长会穿透电池隔膜与正极接触而导致电池短路，可能造成电池燃烧甚至爆炸(Xu W等人，EnergyEnvironmentalScience,2014,7(2):513-537；Zhamu A等人，EnergyEnvironmental Science,2012,5(2):5701-5707；Brandt K等人，Solid State Ionics,1994,69(3-4):173-183)。为了解决上述所面临的挑战，人们从不同角度研究了枝晶生长抑制方法，研究发现三维结构材料能够抑制枝晶的生长。2017年，郭少华提出了一种抑制锂金属表面产生锂枝晶的方法(抑制锂金属表面产生锂枝晶的方法，公开号为CN108063241A)。2015年，Yang等人采用还原法制备出微米骨架结构的三维铜箔，这种结构有效地抑制了锂枝晶的生长(Nature Communications,2015,6:7436)。2017年，Li等人将金属锂直接嵌入到三维铜网中，制备出具有三维结构的锂金属负极用于抑制锂枝晶的形成与生长(Li Q等人，Advanced Functional Materials,2017,27(18):1606422)。尽管这些方法都取得了一定的进展或突破，但均存在着一定的不足或局限性，比如亲锂性差，导致无法诱锂均匀成核等问题。

金属有机框架化合物含有丰富的有机配体和金属中心离子，具有可控的孔道结构和较大的比表面积，并且由于其含有丰富的反应位点，使其与锂具有极强的亲和力，能够有效的捕捉锂离子。2011年，Schaefer等人发现MOFs材料作为负极能够在充放电过程中保持结构稳定(J L Schaefer等人，Journal of Materials Chemistry,2013,25:834-839)。2018年，汪浩等人制备了一种利用ZIF-8多孔碳作为抑制锂枝晶生长的材料(一种利用ZIF-8多孔碳材料抑制锂枝晶生长的锂电池负极，公开号为CN108258241A)。可见有机金属骨架材料在抑制锂枝晶在电极上沉积具有一定的优势。为了实现抑制锂枝晶生长，本发明采用静电纺丝技术结合高温烧结，制备了一种基于金属有机骨架衍生物薄膜材料，用于抑制锂电池中锂枝晶的生长。

发明内容