[发明专利]一种有机亲锂涂层修饰的三维导电碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种有机亲锂涂层修饰的三维导电碳负极材料，它包括三维导电碳骨架及依次修饰在其表面的有机亲锂涂层和金属锂层，其中有机亲锂涂层由超支化有机多元醇组成。本发明采用简单的一锅法将超支化多元醇均匀修饰在三维导电碳骨架上，有利于促进Li成核位点的均匀分布，诱导Li在碳材料上均匀沉积，抑制枝晶生长、改善循环过程中的体积膨胀，有效提升锂金属电池的循环寿命和安全性能。

技术领域

本发明属于高比能储能电池技术领域，具体涉及一种由三维导电骨架复合有机亲锂涂层的锂金属负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着人们对便携式电子设备的要求越来越高，对于具有高能量密度、优异电化学性能锂电池的研究更具现实意义。金属锂由于其低密度(0.534g cm^-3)，高理论比容量(3860mAh g^-1)和低电势(-3.04V，相对于标准氢电极)被广泛誉为电池储能界的“圣杯”电极，是最具前景的锂电池负极材料，这些优点使得锂金属全电池具有更高的放电平台和能量密度，因此研究和开发高稳定性的锂金属负极已经成为当前储能领域研究的热点。

然而，锂金属负极在实际应用中面临巨大挑战和诸多问题的制约。一方面，锂枝晶的生长导致电池内部活性锂和电解液的不断消耗；另一方面，锂金属负极的体积膨胀导致枝晶与锂本体脱落，形成不被利用的“死锂”，大量的“死锂”造成电池内部极化增加，进一步导致电池容量和库伦效率衰减；更严重的是，锂枝晶可能刺穿电池隔膜造成电池内部短路，引发热失控和爆炸等安全问题。

为解决上述问题，研究者们通常采用电解液的优化、制备人工保护层和开发固态电解质等方法：优化电解液一般是通过引入添加剂，加强固体电解质界面膜(SEI)的均匀性和稳定性，但过多的添加物易造成金属锂负极的负担，使其比容量降低，并且溶剂化效应会使副反应增多，不利于Li⁺的均匀沉积；构建人工SEI膜，不仅需要所制备的SEI膜具有足够强的韧性，能够适应锂沉积时产生的应力，而且要求所制备膜层各处均匀且致密，以防止Li⁺的不均匀沉积，目前这类方法制备工艺复杂，操作较为繁琐；用固态电解质取代有机液态电解液可以有效地降低安全隐患，固态电解质相比商业的聚烯烃隔膜有更高的杨氏模量，能很好地抑制锂枝晶的生长，但对于材料的选择和制备要求非常高，难度大。尽管上述策略在解决锂枝晶问题和引导Li⁺均匀沉积方面均起到一定作用，但这些方法距离商业化的锂电池要求还有不少差距。因此，进一步对锂沉积基底材料进行表面亲锂性设计，有效引导Li⁺的均匀沉积，对缓解锂金属负极体积变化和抑制枝晶生长，实现长寿命的锂金属电池至关重要。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种有机亲锂涂层修饰的三维导电碳负极材料；利用简单的一锅法将超支化多元醇均匀修饰在三维导电碳骨架上，富含大量极性官能团的超支化多元醇与Li具有较强的亲和力，可以促进Li成核位点的均匀分布，诱导Li在碳材料上均匀沉积；三维导电碳骨架具有多孔性，可提供充足的锂沉积空间并促进电子的快速传导，降低局部电流密度；两者之间的协同作用可有效抑制枝晶生长、改善循环过程中的体积膨胀，提升所得锂金属电池的循环寿命和安全性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种有机亲锂涂层修饰的三维导电碳负极材料，它包括三维导电碳骨架及依次修饰在其表面的有机亲锂涂层和金属锂层，其中有机亲锂涂层由超支化有机多元醇组成。

上述方案中，所述有机亲锂涂层的修饰步骤包括：将表面经氧化改性后的三维导电碳骨架置于超支化多元醇溶液中，加入适量催化剂后进行搅拌反应，洗涤干燥，得有机亲锂涂层修饰的三维导电碳材料。

上述方案中，所述超支化多元醇与三维导电碳骨架的质量比为1～10:1；催化剂与三维导电碳骨架的质量比为0.5～3:1。