[发明专利]一种锂负极、其制备方法及包含该锂负极的电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学电池领域，涉及一种锂二次电池，具体涉及一种锂负极、其制备方法及包含该锂负极的电池。

背景技术

金属锂相对标准氢电极电势为-3.045 V，比容量为3861 mAh/g接近常规碳负极比容量（石墨为372 mAh/g）的10倍，有很好的发展前景。但是锂负极在充放电过程中不断的溶解、沉积，易产生枝晶，造成循环性能下降，严重时枝晶会刺穿隔膜与正极接触导致内部短路，甚至发生起火或爆炸等安全事故。

为了改善金属锂负极的循环性能和安全性能，主要措施有：在电解液中加入添加剂改善锂负极表面SEI膜（固体电解质界面膜，solid electrolyte interface，简称SEI膜）成分、预先在锂负极表面沉积一层钝化层作为SEI膜、使用新型锂电极。而新型锂电极主要有合金电极、锂粉电极等。

K. Chung等采用RF磁控溅射在锂负极表面沉积了一层LiPON膜作为SEI膜。也有将C₆₀沉积在锂表面上改善锂负极表面抑制枝晶生长。但是这些方法成本高，操作麻烦。

FMC公司的专利提到使用锂粉作为电极，将锂粉在一定压力下压成极片，由于锂粉颗粒小，比表面积大，可以抑制枝晶生长。但是在当放电电量大时，锂粉电极表面形貌变化很大，即循环性能会下降。

因此，亟需开发一种成本低，操作简便的锂负极的制备方法，以改善锂负极的循环性能和安全性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂二次电池用锂负极的制备方法，通过使用碳电极为载体，将其完全嵌锂后，再在其表面电化学沉积锂层，使用这些锂源，从而避免使用过量金属锂带来的安全性问题。

为实现以上目的，本发明提供了一种锂负极的制备方法，该方法包含以下具体步骤：

步骤1，嵌锂：将碳材料涂布在集流体Cu箔上，烘干，得到碳材料极片；以金属锂片为负极，所述的碳材料极片为对电极，组装电池，进行充放电循环，使得锂离子均匀嵌入到碳材料中，完成嵌锂步骤；

步骤2，过放电沉积金属锂层：将上述完成嵌锂步骤的电池，在10-100 mA/g电流密度下，恒流放电2-20 h进行过放电，在碳材料极片表面电化学沉积金属锂层，得到锂负极。

上述的锂负极的制备方法，其中，所述的碳材料包含：中间相炭微球、硬碳、石墨、石墨烯中的任意一种以上。

本发明的锂负极的制备方法是以碳材料作为载体，嵌锂后，再进行过放电，在其表面电化学沉积金属锂层得到。电化学沉积锂的量可按照正极需求自行设计（负极设计容量过量约100%）。此类锂负极可以与贫锂正极材料组成电池。

碳材料电极呈多孔状态，以其为载体，在其表面电化学沉积的锂金属层的比表面积较大，在相同的电流下可以降低电极的电流密度（mA/cm²），降低枝晶形成的概率；且本发明制备出的锂电极在充放电过程中，锂的沉积溶解可以在多孔碳电极中进行，降低枝晶形成的概率，从而提高电池的安全性能和循环性能。

本发明还提供了上述方法制得的锂负极，该锂负极是以Cu箔作为集流体，碳材料作为载体涂布在集流体Cu箔上，在载体内部嵌入锂离子，在载体的表面沉积金属锂层形成的；该锂负极具有较高的比容量。

本发明还提供了一种包含上述方法制得的锂负极的电池，该电池包含上述的锂负极及贫锂正极材料，该电池循环性能好，安全性好。

上述的电池，其中，所述的贫锂正极材料选择钛酸锂、单质硫、单质硫/碳材料复合物、硫基化合物中的任意一种以上。

本发明所提出的锂负极，是用碳电极为载体，与常规金属锂负极比较，安全性能和循环性能都有效改善，而且负极容量可以根据正极容量需求自行设计，可调节范围大。  

附图说明

图1为本发明的锂负极制备过程示意图，步骤1为碳材料嵌锂过程，当嵌锂完成时进行步骤2，即过放电沉积金属锂层。

图2为本发明的锂负极脱锂曲线，以制备出的锂电极为对电极，镍片为正极，充电至3 V，得到的容量即为锂电极的容量。

图3为本发明实施例5中锂/钛酸锂体系首次充放电曲线。

图4为本发明实施例5中锂/钛酸锂体系的循环性能图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图1所示，本发明提供的锂负极的制备方法包含：