[发明专利]一种锂金属负极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂金属负极及其制备方法和应用，预处理后的锂金属与前驱物置于50～200℃的加热温度下反应0.5～24h，所述前驱物在所述加热温度下挥发且与锂金属反应后，在锂金属表面原位生成厚度为1nm～100μm的保护层，能够为锂金属提供稳定且有效的保护。本发明在制备过程中只需要通过热驱动的方式，便可快速完成，在工业上容易实行，极大地减少了生产成本与制备时间，推动了锂金属负极电池的实用化进程。制备得到的锂金属负极能够实现均匀的沉积与剥离过程，也能有效地抑制锂枝晶的生成，从而使得电池的循环稳定性和安全性能得到明显的提高。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种锂金属负极及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池由于具有比能量高，自放电小和无记忆效应等优点，而被广泛应用于电动汽车、智能电网和便携式电子设备等领域。但是随着当今能源技术的飞速发展，对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求。传统锂离子电池采用石墨作为负极材料，而石墨负极理论比容量低(372mAh/g)，其能量密度难以突破300Wh·kg-1这一极限值，严重限制了其进一步发展。因此开发更高比容量的负极材料对提高电池的能量密度尤为重要，例如硅基负极和锂金属负极。

锂金属被誉为负极材料中的“圣杯”，因为其具有极高的理论比容量(3860mAh/g)，最低的氧化还原电势(-3.04V相对于标准氢电极)和低的密度(0.534g/cm3)等优点。因此，采用锂金属作负极能够显著提高锂离子电池的能量密度。此外，相比于锂离子电池，锂金属电池能够采用具有更高能量密度的正极材料(如硫、氧等)，因此能形成高比能量电池系统。但是，锂金属负极在使用过程中存在着一些问题，严重制约了其进一步发展。包括以下几点：一是锂金属表面生成的固体电解质界面膜(SEI)不均匀，引起锂金属不均匀的沉积和剥离；二是锂金属在沉积和剥离过程中存在大量的体积膨胀，进一步导致SEI的不稳定；三是锂金属与电解液高的反应活性，导致锂金属和电解液的不断消耗。

针对以上问题，研究者在电解液改性和锂金属表面修饰方面提出了多种改进方案，主要是使用强的路易斯酸AlI₃作为电解液添加剂，反应条件苛刻、过程复杂；或使用氟代碳酸乙烯酯(FEC)在锂金属表面构筑人工SEI的策略，传统的溶液浸泡方法使SEI厚度与成分调控难度大，难以快速便捷地实现，因此在工业应用方面受到了很大限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种锂金属负极及其制备方法和应用，解决了上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种锂金属负极的制备方法，包括如下步骤：

1)预处理：除去锂金属表面原生的界面层，得到新鲜的金属锂表面；

2)热驱动：将步骤1)预处理后的锂金属与前驱物置于50～200℃的加热温度下反应0.5～24h，所述前驱物包括碘、磷、硒单质或碘、磷、硒与溶剂形成的分散液，所述分散液满足在所述加热温度下挥发且与锂金属反应；反应后，在锂金属表面原位生成厚度为1nm～100μm的保护层。

在本发明一较佳实施例中，所述保护层包括碘化锂、磷化锂、硒化锂。

在本发明一较佳实施例中，所述保护层还包括氮化锂、氯化锂、溴化锂、碳化锂、醋酸锂、烷基锂、烷基酸锂、中的至少一种。

在本发明一较佳实施例中，所述溶剂包括碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、二氟乙酸甲酯。

在本发明一较佳实施例中，所述加热温度为60℃～150℃，反应压力至少为一个大气压。

在本发明一较佳实施例中，所述保护层的厚度为100nm～5μm。

在本发明一较佳实施例中，所述预处理采用熔融重铸的方法，包括如下步骤：将锂金属加热到液态，后将锂金属表面原生的界面层全部除去，重铸成新鲜的金属锂表面。