[发明专利]一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属锂颗粒的制备，具体涉及一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法。

背景技术

随着科技的发展与人类社会的进步，能源枯竭和环境污染问题日益凸显，开发新型高效、清洁的能量转化、存储技术和能量利用方式成为解决这些问题和实现人类社会可持续发展的关键。化学电源是缓解能源、资源和环境危机问题的一种重要技术途径，在社会能源体系中起到重要作用。

锂是一种银白色的金属，质地很轻(密度0.59g/cm³)，延展性和导电性好。金属锂的理论比容量高达3860mAh/g，是理论比容量最高的材料之一，而Li⁺/Li的标准电极电位-3.045V，是所有氧化还原电对中最低的。因此，金属锂是一种极具应用前景的电池负极材料。但是金属锂作为锂二次电池、锂硫电池和锂空气电池的负极材料存在的问题同样非常明显，主要是锂沉积/溶解过程中锂枝晶的形成会刺破隔膜，导致严重的安全问题，同时电解液和金属锂之间不稳定的固态电解质界面膜(Solid Electrolyte Interface Layer，SEI膜)会使得电解液和金属锂被大量消耗，进而导致库伦效率较低。

金属锂粉被广泛应用于锂二次电池、锂硫/锂空气电池、有机锂化合物的合成以及航空航天等领域。制备颗粒度很小而且粒径分布均匀的金属锂粉末可以大大降低金属锂在电化学沉积过程中产生枝晶的速率，并且使得锂在上述领域的利用效率大大提高。

然而，金属锂自身的高反应活性、大的粘性和良好的延展性使得微纳米尺度的金属锂粉末很难利用机械粉粹等常用方法合成。目前采用的熔融后在惰性的烃油中分散的方法制备金属锂粉，存在如下问题：操作温度较高，需要超过金属锂的熔点；熔融的金属锂腐蚀性强，对设备要求比较苛刻；需要高沸点的烃油用于分散熔融锂的液滴，同时还需要低沸点的烃油用于洗涤锂粉，导致环境污染大，制备方法繁琐，制备产率低；制备的金属锂粉中值粒径仍然较大，在10-500μm之间，无法制备亚微米-纳米尺度的锂粉。

发明内容

本发明提供了一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法，该方法能够制备得到亚微米-纳米级别的金属锂颗粒，缩短金属锂颗粒的制备时间，提高金属锂颗粒的制备效率。

本发明的技术方案如下：

一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法，包括：在惰性气体或者干燥空气氛围下，将金属锂原料与离子液体进行混合，依次经加热、超声波破碎处理，得到含亚微米-纳米金属锂颗粒的离子液体；再经后处理，得到金属锂颗粒。

具体地，所述惰性气体为氩气。

所述金属锂原料可以为锂粒、锂片、锂块或者锂丝等各类形状；若直接食用，则需要保证金属锂原料至少在一个维度上的尺寸不大于3cm；当所述金属锂原料在三个维度上的尺寸均大于3cm时，则需要经过机械力处理，使其尺寸满足要求，才能应用到本发明方法中。

由于大部分离子液体的分解温度都高于金属锂的熔点，所述离子液体的可选范围宽，不需要对离子液体和金属锂进行其它预处理，有效简化制备工艺。上述离子液体的选择原则为：采用不与金属锂发生化学反应的离子液体，同时选用的离子液体沸点在金属锂的熔点以上，加热至金属锂的熔点附近不会发生分解。

进一步优选，所述离子液体的阳离子为咪唑、吡啶、季铵、季磷或吡咯的烷基取代物；阴离子为六氟磷酸根离子、四氟硼酸根离子、六氟砷酸根离子、卤素阴离子、双(氟甲烷磺酰)亚胺离子或双(三氟甲烷磺酰)亚胺离子。绝大多数离子液体在金属锂熔点以下可以保持其物理化学性质的稳定性，同时离子液体的存在可以有效阻止超声破碎后的金属锂颗粒团聚。

常规购买的离子液体中时常带有少量水分，而该水分会与金属锂反应，而无法实现金属锂颗粒的制备；所以，为了防止上述情况的发生，所述离子液体在与金属锂原料混合前，需提前进行加热，去除离子液体中的水分。

作为优选，在混合之前，将所述离子液体进行加热预处理，去除离子液体中的分水。

具体的，所述加热预处理的温度为100～250℃，保温时间为30min～12h。

作为优选，所述金属锂原料在离子液体中的质量分数为1～90％；更优选，质量分数为5％-40％。

所述加热的温度既可以超过金属锂的熔点温度(180.5℃)，也可以低于金属锂的熔点温度。加热后，金属锂原子在晶格中的振动速度加快，有助于金属锂的破碎。但由于加热温度超过金属锂熔点温度后，离子液体中的金属锂呈液态，化学反应活性很高，对容器和设备的腐蚀性较强。

作为优选，所述加热的温度为120～170℃。