[发明专利]一种改性锂电池负极及其制备方法和应用

说明书

本申请提供一种改性锂电池负极及其制备方法和应用，包括改性锂层和改性氟硅树脂层；所述改性锂层包括含锂金属层和聚阴离子层；在含锂金属层的至少一面设置有聚阴离子层；所述改性氟硅树脂层包括二次改性氟硅树脂层和聚阳离子层；在所述二次改性氟硅树脂层的至少一面设置有聚阳离子层；所述聚阴离子层和所述聚阳离子层通过正负电荷的吸引力进行结合。本申请的改性锂电池负极可以抑制锂枝晶的产生并可以使金属锂在空气中稳定存在，这极大地提高了金属锂的加工性能，并且制备工艺简便，可实现规模化生产。

技术领域

本申请涉及电池技术领域，特别涉及一种改性锂电池负极及其制备方法和应用。

背景技术

锂由于其很高的理论比容量（3860 mAh g^-1）和极低的电势（-3.040 V）以及较轻的质量，在应用于锂电池负极时会极大提高电池的能量密度，被认为是极具潜力的下一代电池负极材料。然而锂具有极高的反应活性，在充放电时，由于电化学沉积/剥离，可能导致界面的不稳定和锂枝晶的生长，进而可能刺穿电池隔膜引发正负极短路，造成电池失效甚至爆炸。此外，另一个限制锂负极使用的因素则是其在空气中不稳定的问题，在制备和使用时很容易引发安全事故，目前并没有理想的手段在不影响金属锂活性前提下抑制其与外界环境，尤其是与水和空气的反应。这不仅提高了生产的成本和门槛，也在实际操作中带来安全隐患，因此改进金属锂的空气稳定性对推动其真正产业化也具有重要意义。

对于金属锂带的表面保护方法并应用于锂金属二次电池中，在现有技术手段中，通过在金属锂表面涂覆能隔绝空气和水的涂层，以期实现金属锂在空气中稳定制造。专利CN111490237A公开了一种含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极及其制备与应用，通过采用阳离子型聚合物涂层，可以调解锂离子浓度梯度、缓解浓差极化，促进了锂离子的均匀沉积。并且该阳离子型聚合物为疏水型聚合物，其涂层可以减缓水、氧对锂金属的腐蚀，降低了锂金属电池的生产成本；专利CN102479974A公开了一种金属锂电池用防腐蚀保护膜，包括NASICON固体电解质片，该固体电解质片上依次覆有憎水性聚合物电解质膜和阳离子膜，避免了NASICON固体电解质片长期在水溶液电解液中的腐蚀和水解成粉末状，大幅改善了NASICON固体电解质片长期在水溶液电解液中的稳定性，延长了金属锂电极的使用寿命和安全性。但是在上述的方案中，有效涂层的引入可能会降低金属锂性能的发挥以及在充放电过程中，金属锂的体积膨胀，导致涂层与金属锂之间的界面性能无法很好的保证。此外，涂层可能溶解到电解液体系中，造成更多副反应的产生，极大地限制了金属锂的稳定循环。因此，在不影响金属锂性能的前提下，有效制备能在空气中稳定金属锂负极涂层且能保证二者界面良好的情况下，尚未提出很好的解决措施，这对提升锂金属二次电池的能量密度仍然是一个挑战。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术缺陷，本申请提供了一种电池材料及其制备方法和应用，对金属锂改性处理，使其带有一定量的强负电荷，形成均匀分布的空间电荷层，进而引导锂离子均匀分布，实现金属锂的无枝晶沉积；然后将氟硅树脂用含氧基硅烷的化合物改性处理，增强其电导率，并加入粘接剂与导电剂获得更高导电的疏水疏油薄膜；特别是硅基支链的引入，提高了氟硅树脂的电导率；接着对获得的改性氟硅树脂薄膜表面再次改性处理，使其带有一定量的强正电荷；最后在一定压力作用下，将获得的改性薄膜压制到金属锂表面，获得改性锂电池负极，由于金属锂表面带有一定的强负电荷与带有强正电荷的改性氟硅树脂通过静电吸引可以进一步增强其界面结合力，再通过外部压力的作用下，使改性薄膜与金属锂之间具有更优的界面稳定性。

根据本申请的一个方面，提供了一种改性锂电池负极，包括改性锂层和改性氟硅树脂层；所述改性锂层包括含锂金属层和聚阴离子层；在含锂金属层的至少一面设置有聚阴离子层；所述改性氟硅树脂层包括二次改性氟硅树脂层和聚阳离子层；在所述二次改性氟硅树脂层的至少一面设置有聚阳离子层；所述聚阴离子层和所述聚阳离子层通过正负电荷的吸引力进行结合。

可选地，所述改性锂电池负极的结构为改性锂层-改性氟硅树脂层；具体地，所述结构为含锂金属层-聚阴离子层-聚阳离子层-二次改性氟硅树脂层。