[发明专利]一种利用正极材料作界面层构筑柔性金属负极的方法

说明书

本发明公开了一种利用正极材料作界面层构筑柔性金属负极的方法。该方法以正极材料界面为诱导层，将正极材料原位痕量修饰于质轻柔性导电基底上得到超薄正极膜；基于正极材料具有可以实现离子嵌入的位点和较低的离子嵌入势垒、优异的结构稳定性的特点，成功实现了金属的初期均匀成核及后续的平稳沉积，制得柔性金属负极。本发明采用正极膜修饰的方式，实现了金属在纳米层面上的定向生长和精确调控，随后经过定量沉积金属，实现了高稳定的柔性金属负极的制备。该发明不但提供了一种全新正极膜诱导金属负极沉积的新方法，而且得到了具有质轻，可弯折性好以及循环稳定性良好的一体化金属负极，可广泛应用于可穿戴电子器件等领域。

技术领域

本发明属于无机纳米材料合成技术领域，特别涉及一种利用正极材料作界面层构筑柔性金属负极的方法。

背景技术

近年来，智能可穿戴电子设备的快速发展改变了人们的生活方式，便捷了人们的生活。然而，随着新兴的便携式和柔性电子设备迅速发展及较快的更新换代，作为其核心组成器件的供能系统已逐渐难以满足市场的正常需求。因此，开发新一代的具有其较高的功率密度和能量密度，绿色环保等优点的可穿戴和可拉伸电池系统成为了人们研究课题的焦点。在诸多的储能设备中，可充电金属电池因其具有超高的理论比容量和功率密度，质量较轻的特点，已经被广泛研究用作可穿戴和可伸缩电子能量存储的新型电源。然而，目前柔性电池中仍然存在电极自重大，弯折困难，安全性差的缺点，因此设计和集成具有机械柔韧性好，化学相容性和电化学优异性的先进金属电池仍然是一个巨大的挑战。同时，金属负极使用过程中不受控制的树枝状生长及诸多的副反应仍然是阻碍其实际应用的主要障碍，这会导致快速的循环容量衰减和库仑效率差等问题。更为严重的是，树枝状晶体的过度生长会刺穿隔膜并引起金属电池短路，甚至造成灾难性的安全隐患。因此，迫切需要一种新颖且有效的方法来构建柔性、无枝晶的金属负极。

发明内容

本发明针对现有的金属负极作为柔性金属负极材料，弯折性能差、机械稳定性差、自重大、副反应多、利用率低下、安全性差等弊端，并且目前所使用的改性策略存在成本高，工艺复杂等问题，提供一种利用正极材料作界面层构筑柔性金属负极的方法。该方法以正极材料界面为诱导层，通过原子气相沉积法、电化学沉积法、熔融煅烧法、物理喷涂法或水热合成法将正极材料原位痕量修饰于质轻柔性导电基底上得到超薄正极膜；基于正极材料具有可以实现离子嵌入的位点和较低的离子嵌入势垒、优异的结构稳定性的特点，成功实现了金属的初期均匀成核及后续的平稳沉积，制得柔性金属负极。

本发明所述的利用正极材料作界面层构筑柔性金属负极的方法为：

1)将正极材料原位痕量修饰于柔性导电基底上得到超薄正极膜，正极膜的厚度为1-60nm；

2)将步骤1)得到的产物干燥后进行电池组装，静置后采用蓝电系统沉积金属负极材料，金属负极材料沉积量为1-10mAh cm^–2。

当步骤1)得到的正极膜含锂离子、钠离子或钾离子时，需先在蓝电测试系统上进行充电处理，步骤1)得到的产物干燥后作为正极，石墨或相应的金属为负极，充电完成后脱出锂离子、钠离子或钾离子，为后续使用时金属成核提供嵌入位点，再进行步骤2)的操作。

步骤1)所述的正极材料原位痕量修饰于柔性导电基底上的方法为原子气相沉积法、电化学沉积法、熔融煅烧法、物理喷涂法、水热合成法中的一种或几种。

所述的柔性导电基底选自碳布、碳纸、泡沫碳或导电纤维织物。

所述的正极材料选自锂离子电池正极材料、钠离子电池正极材料、钾离子电池正极材料，镁离子电池正极材料、钴离子电池正极材料、镍离子电池正极材料、铁离子电池正极材料、铜离子电池正极材料、铝离子电池正极材料、锰离子电池正极材料、钒离子电池正极材料或锌离子电池正极材料。

所述的正极材料的晶体结构为橄榄石结构、尖晶石结构或层状结构。