[发明专利]自支撑锂金属负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了自支撑锂金属负极材料及其制备方法和应用，包括：锂金属‑碳复合纤维膜，所述锂金属‑碳复合纤维膜包括多孔碳纤维和填充在所述多孔碳纤维空隙内的锂金属颗粒；惰性层，所述惰性层包覆在所述锂金属‑碳复合纤维膜的至少部分表面。将所述自支撑锂金属负极材料作为高能量密度电池的锂金属负极，可以防止锂金属的粉化脱落导致的容量衰减，从而改善电池的循环稳定性；还可以防止锂金属表面枝晶的产生，从而改善电池的安全性能；另外碳骨架不仅增加了锂金属在导电网络的接触面积，还缩短了锂离子的传输路径，从而改善了电池的倍率性能。

技术领域

本发明属锂电池技术领域，具体涉及一种自支撑锂金属负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于消费市场中电子产品功能日趋齐全，且消费者对电子产品使用时长越来越长。在电动汽车领域，续航里程短仍然是限制电动车普及的一大痛点。这些市场需求都要求电池向高能量密度发展。如此趋势要求下一代电池要使用更高容量的电极材料。其中负极材料从石墨向锂金属负极的转变可以明显提升动力电池的能量密度。然而，由于锂金属负极在充放电循环过程中特别是高倍率电流下容易产生锂枝晶导致安全问题以及在充放电过程中容易粉化，导致锂金属负极的应用困难重重。目前科研界提出多种方法改善锂金属负极的电化学性能，包括在石墨烯导电网络中沉积锂金属，在碳纳米管编织物内负载锂金属，在锂金属表面引入人工SEI膜，在电解液中添加成膜添加剂等。

但是，利用诸如石墨烯或碳纳米管制备成的立体碳骨架结构负载锂金属仅仅是将锂金属附着在碳骨架表面，且石墨烯较大的片层结构不利于锂离子的快速导通。如果在此基础上将立体的碳骨架制成内部含有大梁导通型孔隙的多孔结构，将锂金属渗入空隙中，最终使立体的碳骨架中负载大量纳米尺寸的锂金属颗粒。这种复合结构可以增加锂金属在碳骨架中的附着力，使得在电池充放电过程中锂金属的电化学稳定性得到有效改善。另一方面，增加了锂金属与碳骨架的接触面积，增加了锂金属负极的电子电导，改善了负极的倍率性能。

SEI的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。SEI具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。然而由于锂金属具有较高的电化学活性，可与有机电解液反应生成一层SEI膜，但是锂金属表面形成的SEI膜化学成分复杂且很不均一，锂金属表面形成的松散SEI膜不能有效抑制锂枝晶的生长。因此，要进一步抑制锂枝晶的生长需要在锂金属/电解液界面形成一层化学性质稳定、致密且均一的界面层，用以改善电池的循环性能和安全性能。

很多研究尝试了多种材料作为界面层用于抑制锂枝晶产生。如碳纳米球、氮化硼、石墨烯都可作为界面层应用于锂金属包覆层。还有研究利用原子层沉积将陶瓷类材料沉积到锂金属表面。但这类材料的稳定性还有待加强。而锂氟化合物在强还原环境下能够保持电化学稳定性，而且此类化合物在电解液中的溶解度很低，使得这类材料作为抑制锂金属腐蚀的界面材料具有广阔的应用前景。例外，锂氟化合物超强的机械性能足以经受住锂枝晶的破坏作用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种自支撑锂金属负极材料及其制备方法和应用。将所述自支撑锂金属负极材料作为高能量密度电池的锂金属负极，可以防止锂金属的粉化脱落导致的容量衰减，从而改善电池的循环稳定性；还可以防止锂金属表面枝晶的产生，从而改善电池的安全性能；另外碳骨架不仅增加了锂金属在导电网络的接触面积，还缩短了锂离子的传输路径，从而改善了电池的倍率性能。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种自支撑锂金属负极材料，根据本发明的实施例，所述自支撑锂金属负极材料包括：

锂金属-碳复合纤维膜，所述锂金属-碳复合纤维膜包括多孔碳纤维和填充在所述多孔碳纤维空隙内的锂金属颗粒；

惰性层，所述惰性层包覆在所述锂金属-碳复合纤维膜的至少部分表面。