[发明专利]一种利用电化学沉积碳保护锂金属的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种利用电化学沉积碳保护锂金属的方法及其应用，所述方法包括如下步骤：(1)搭建与手套箱连接的电解池装置：在充满氩气气氛的手套箱中搭建电解池，并对电极线进行塑封后与高压直流电源相连接；(2)步骤(1)中的电解池采用锂金属片作为工作电极，石墨电极或铂电极作为对电极，采用乙二醇二甲醚作为电解液组成电解池；(3)将电解池连接直流电源，通过电源对电解池施加100～900V的高压，加压时间为0.5‑10h，电极间距为5‑10mm，在锂金属片表面沉积无定形碳膜，得到改性锂金属片。本发明提供了所述改性锂金属片在锂金属电池中的应用，在充放电过程中可以抑制枝晶的生成，可以有效提高金属锂负极材料电池库伦效率较、循环寿命。

(一)技术领域

本发明属于锂电池领域，涉及一种利用电化学沉积碳保护锂金属的方法及其在锂电池中的应用。

(二)背景技术

本发明涉及一种锂金属界面的电化学处理方法。随着可携带电设备和电动汽车市场的飞速拓展，对于高能量密度和高功率密度锂离子电池的需要也日益增加。然而，传统的负极材料如石墨，其理论容量只有372mAh g^-1，难以满足发展的需求，这种现状大大推动了高性能负极材料的设计和研发。锂金属负极是一种前景光明的负极材料，其理论容量高达3860mAh g^-1，是石墨容量的十倍之多。而且，锂金属具有最低的标准电极电势(相对于标准氢电极为-3.04V)，良好的内部导电性。但是，金属锂也存在一些问题。由于它活泼的化学性质，金属锂在电解液中会形成不稳定的固态电解质界面膜(SEI)，不断消耗电极材料和电解液，导致电池容量的损失；而不可控的锂沉积行为也会导致金属锂枝晶的生成，诱发电池短路和严重的安全隐患，目前锂金属电池的实际大规模应用仍然面临诸多挑战。因此，探索一种可以在锂金属表面上紧密覆盖高电导率的人造SEI层以降低界面电阻并改善锂离子扩散的技术对于电池的长期循环寿命至关重要。本发明搭建了一种可在惰性气氛下进行高电压电化学沉积的电解池。此电化学工艺以锂金属为工作电极，石墨为对电极，有机溶剂为电解液，在近千伏的高电压下电解溶剂后在锂金属表面原位生成一层无定形碳保护层，最终实现了对碳膜组分与厚度的调控，形成了兼具化学稳定性、锂离子快速迁移和锂的均匀沉积的人工SEI膜，得到了无枝晶的锂金属电池，延长了电池的循环寿命。

(三)发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种利用电化学沉积碳保护锂金属的方法。

本发明要解决的第二个技术问题是提供制得的改性锂金属在锂金属电池中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种利用电化学沉积碳保护锂金属的方法，包括如下步骤：

(1)搭建与手套箱连接的电解池装置：在充满氩气气氛的手套箱中搭建电解池，并对电极线进行塑封后与高压直流电源相连接；

(2)步骤(1)中的电解池采用锂金属片作为工作电极(负极)，石墨电极或铂电极作为对电极(正极)，采用乙二醇二甲醚作为电解液组成电解池；

(3)将电解池连接直流电源，通过电源对电解池施加100～900V的高压，加压时间0.5-10h，电极间距为5-10mm，在锂金属片表面沉积无定形碳膜，得到改性锂金属片。

本发明步骤(1)中，所述的电解池需搭建在手套箱中，水和氧气的体积浓度均需小于0.1ppm，以起到隔绝电解液与水氧、锂片与水氧的反应。电极线接入手套箱中需先进行塑封，后将电极夹接入手套箱中，与电解池相连，另一端与直流电源相连接。其中所采用的直流电源可以选择直流稳压稳流的电源，根据实验条件优选规格为0-1000V。

本发明步骤(2)中，所述的工作电极是需氩气气氛保护的金属锂电极；优选其纯度大于99％。对电极可以是石墨电极、铂电极等；优选其纯度大于99％。所述电解液的溶剂是乙二醇二甲醚，优选其纯度大于99％。本发明所述电解液无需溶质，只需溶剂即可。