[发明专利]一种高熵锂合金负极及其制备方法

说明书

本发明属于锂电池技术领域，公开了一种高熵锂合金负极、固态电池及其制备方法，将金属锂与其他多种金属或非金属在高温下加热熔融，得到锂合金相及非锂合金相构成的多相高熵合金液体；将多相高熵合金液体冷却至室温，得到多相高熵合金的微纳米化三维骨架网络结构；其中，高熵锂合金负极材料中的锂原子占总原子比为20～50％，其他金属和/或非金属占总原子比为1～50％。本发明的微纳米尺寸的三维骨架高熵合金网络结构，有利于提高负极的真实比表面积，有效降低局部电流密度，抑制锂枝晶的生成；高熵合金骨架网络含有惰性合金组分，有利于提升三维骨架的稳定性及负极体积的恒定，并提高三维骨架的亲锂性，从而提升电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，尤其涉及一种高熵锂合金负极及其制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池自上世纪九十年代成功商业化以来，已成为当下最流行的移动储能方式之一，促进了消费电子、电力交通、军工产品及医疗设备的快速发展与进步。但随着社会的不断发展，基于石墨负极(372mAh/g)的锂离子电池越来越难以满足日益增长市场需求。金属锂具有超高的理论比容量(3860mAh/g)、最低的电化学电位(-3.04V vs标准氢电极)和超低的密度(0.53g/cm³)，是下一代锂二次电池负极材料的“圣杯”。

金属锂负极在使用过程中，由于不均匀的锂沉积行为导致大量的锂枝晶生成，而锂枝晶有可能会刺穿隔膜，引发电池短路，引起电池着火和爆炸等安全问题。此外，无“宿主结构”的锂沉积及“死锂”的产生还导致金属锂负极的体积膨胀，由此引起电池出现形变，缩短循环寿命。上述这些原因导致金属锂负极的商业化进程受到严重阻碍，迄今尚未量产应用。

为了解决金属锂负极所存在的各种问题，越来越多的研究人员认识到合金化是一种非常有效的改性方法。锂合金负极具有内生的合金骨架结构，在电池的循环过程中合金骨架结构不仅降低电化学反应的电流密度，从而抑制枝晶的形成，而且能够在锂不断地脱出和沉积的过程中，减小体积变化，稳定电池结构。此外，锂合金骨架还额外增加了亲锂位点，有利于诱导金属锂成核、发生共形沉积，提高库伦效率。但很多合金骨架结构机械强度不足，稳定性差，在电池的反复循环过程中，容易粉化破损导致骨架塌陷。此外，还有一些合金骨架，如锂铜合金对锂的诱导成核作用有限，容易导致锂在骨架表面优先沉积，从而导致合金骨架失效，电池的综合性能难以满足实际应用需要。因此，提升锂合金骨架亲锂性及结构稳定性是锂负极商业化应用的必由之路。

高熵合金是近年来出现的一个新概念，易于传统合金的是，各种元素的原子无序随机的分布在晶格位置上，因此在热力学上表现出高熵效应，具有较优异的机械性能及其他特性。尤其是第二代高熵合金，由4种或4种以上的合金元素组成，组成元素含量配比可为非等原子比，相结构为多相共存，可以同时出现固溶体及金属间化合物相，通过析出相的弥散强化作用，进一步提高了高熵合金的机械性能等性质。目前，高熵锂合金尚未作为锂电池负极材料使用。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)在常规金属锂负极侧不均匀的锂沉积行为导致大量的锂枝晶生成，锂枝晶有可能会刺穿隔膜，引发电池短路，引起电池着火和爆炸等安全问题。

(2)现有锂合金负极的骨架结构机械强度不足，结构稳定性差，在电池的反复循环过程中，容易粉化破损导致骨架塌陷。

(3)现有锂铜合金骨架对锂的诱导成核作用有限，容易导致锂在骨架表面优先沉积，从而导致合金骨架失效，大幅缩短电池循环寿命。

(4)金属锂负极的商业化进程受到严重阻碍，迄今尚未量产应用；且目前高熵锂合金尚未有作为电池负极材料使用的报道。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高熵锂合金负极、固态电池及其制备方法，尤其涉及一种内含三维骨架网络的高熵锂合金负极、固态电池及其制备方法。