[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。该锂离子电池负极材料通过含有共价有机骨架材料的分散液在集流体表面均匀成膜，其中，分散液为联苯胺、对甲苯磺酸和水的混合溶液，共价有机骨架材料与分散液的质量比为1：10‑20。本发明还提供了含有上述锂离子电池负极材料的锂离子电池负极和含有其的锂离子电池。本发明的锂离子电池安全性能和可循环性能均较优异。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，尤其涉及一种利用共价有机骨架构建的安全稳定锂离子电池负极材料，属于锂电池技术领域

背景技术

随着便携式电子产品，电动汽车和电网规模储能不断发展，作为储能器件的锂离子电池已经对我们的日常生活产生了深远的影响。传统的基于石墨负极的锂离子电池已经达到其理论比能量的极限250Wh/kg，锂离子化学的固有局限性使得这种类型的电池不能满足日益增长的能量密度需求。选择合适的正负极材料是提高锂离子电池能量密度的方法之一。作为石墨负极有效的替代品，锂金属因具有最低的电化学电势(-3.04V相对比标准氢电极)、超高的理论比容量(3860mAh/g)和低密度(0.53g/cm 3)等优异特性，被人们广泛认为是高能量密度二次电池体系(如锂硫、锂空和固态锂金属电池等)的负极理想候选材料，曾经被形象地称之为“圣杯”。一旦石墨负极被锂金属负极取代，锂金属电池(基于锂锰氧正极)可以提供440Wh/kg的高比能量。过渡到锂硫电池或锂空气电池体系中，比能量将会进一步高到650Wh/kg和950Wh/kg。

但是，锂金属负极存在诸多优势的同时，需要克服巨大的挑战，其中最重要的是安全性和可循环性。充放电过程中电解液的腐蚀、不均匀的锂沉积、巨大的体积变化和不稳定的固体电解质界面膜极大地影响了锂金属负极的稳定性，限制了它的实际应用。与许多其他碱性金属类似，锂离子倾向于以树枝状形式沉积，这也是造成内部短路的热失控和爆炸危险的主要原因。此外，锂金属负极良好的可循环性也是必须要考虑的问题。因为低的库仑效率和负极过电势的逐渐增加会导致循环期间的容量衰减。由于研究工具和基于纳米技术解决方案的发展，锂金属负极势必会成为下一代锂电池提高能量密度最可行的窗口之一。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种安全性能和可循环性能均较优异的锂离子电池负极。

为了实现上述技术目的，本发明首先提供了一种锂离子电池负极材料，该锂离子电池负极材料为含有共价有机骨架材料的分散液，其中，分散液为联苯胺、对甲苯磺酸和水的混合溶液，共价有机骨架材料与分散液的质量比为1：10-20。选择的共价有机框架，具有独特的官能团结构，能够有利于锂离子的快速传输，便于锂均匀沉积，进一步抑制锂枝晶的生长。设计了一种独特的共价有机框架成膜方法，能够均匀在集流体上形成一层保护膜，同时由于方法简单可以大规模制备。

在本发明的一具体实施方式中，联苯胺、对甲苯磺酸和水的混合比为50mg-200mg：200mg-1000mg：1mL-10mL。其中，联苯胺与共价有机骨架材料的质量比为85:83-249。

在本发明的一具体实施方式中，共价有机骨架材料为1,3,5-三甲酰基间苯三酚、2,6-二氨基蒽醌-三甲酰基间苯三酚、聚(酰亚胺-苯醌)、苯并二噻吩、手性1,2-二氨基环己烷-唾液醛、四氟对苯二甲醛、三甲酰间苯三酚-偶氮二胺和三亚苯基卟啉中的一种或几种的组合；优选共价有机骨架材料为1,3,5-三甲酰基间苯三酚。

本发明还提供了上述锂离子电池负极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

将共价有机骨架材料分散在分散液中，搅拌，得到涂覆液；

通过真空涂敷干燥的方法，将涂覆液涂覆在铜箔表面，在50℃-100℃下烘干24h-72h，得到锂离子电池负极材料。

在本发明的一具体实施方式中，搅拌的时间为5min-10min。涂覆的刮涂速度为1cm/min-5cm/min。