[发明专利]金属锂表面的电化学抛光方法

说明书

金属锂表面的电化学抛光方法，涉及金属锂表面处理。包括以下步骤：1)在电解池中设有电极室，在电极室内注入电解液，并放入两片金属锂片分别作为工作电极和对电极，并与金属锂参比电极构成三电极体系；2)工作电极、对电极和参比电极分别与恒电位仪的工作电极、对电极和参比电极连接，以控制金属锂工作电极恒电位或恒电流极化；对工作电极施加氧化电位，使工作电极发生锂的溶出反应,再对工作电极施加还原电流，并使工作电极在该还原电流下发生锂沉积反应，同时完成电解液的还原，即得大范围原子平整的金属锂表面和分子尺度光滑的SEI膜，完成金属锂表面的电化学抛光。可同时获得大范围原子平整的锂表面和分子尺度均匀光滑的SEI膜。

技术领域

本发明涉及金属锂表面处理，尤其是涉及一种金属锂表面的电化学抛光方法。

背景技术

金属锂作为元素周期表中电势最负的金属，对其化学和物理性质的研究具有重要学术意义(如锂的晶相学和电沉积行为)和应用价值(如金属锂二次电池)。然而，锂金属作为电池的负极，锂沉积过程中的枝晶生长可引起电池短路，造成安全问题；同时，锂的沉积-溶解过程伴随大的体积变化，可导致其上的固态电解质膜(SEI)发生破裂而暴露新鲜的锂表面，后者与溶液接触发生反应而消耗电解液并造成锂的腐蚀，降低金属锂负极的稳定性和电池的库仑效率。这些问题是制约锂-硫和锂-空等电池负极走向实用的关键因素之一。

过去的几十年中，人们尝试运用物理和化学方法对金属锂表面进行保护。物理方法通常将高分子或无机材料涂覆于金属锂表面以隔离其与电解液的接触，可避免锂枝晶的危害以及锂表面的腐蚀，但其最大缺陷在于引入的隔离层降低了金属锂的动力学性能，且操作工艺复杂、成本高，难以实现规模化；化学方法则致力于通过调节电解液的组成，尤其是使用添加剂和高浓度锂盐，使金属锂在浸泡或低电流循环过程中发生化学和电化学反应，以期形成化学和物理性质良好的固体电解质界面相(SEI)，在一定程度上抑制锂枝晶的生长及腐蚀的发生。

然而，抑制锂枝晶生长并缓解锂沉积-溶解循环过程体积变化所带来的危害，需要同时针对SEI膜的性质和锂表面形貌加以改善：理想的SEI膜应该具有均匀致密、兼具弹性和刚性且仅对锂离子导通的特性；平整光滑的锂表面缺陷少，减少成核位点从而抑制锂枝晶生长。事实上，锂表面的平整光滑性也是促使形成均匀致密SEI膜的重要基础。因此，SEI膜的制备不仅依赖于电解液的组成，而且与成膜方法和过程，尤其是锂表面形貌密切相关，常规的浸泡和小电流化成方法所获得的SEI膜在上述性能方面仍存在较大不足。

然而，金属锂具有十分活泼的表面化学，光滑的高质量锂表面的制备具有极大的挑战性，以至于锂表面形貌研究未受到足够重视。因此，亟待发展方法，获得高质量光滑的锂表面和性能优越的SEI层，为基础和应用研究提供平整光滑的锂表面和性能优越的金属锂负极。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供可同时获得大范围原子平整的金属锂表面并在其上形成致密、均匀和分子尺度光滑的富锂SEI层，不仅为锂-硫和锂-空电池等的实际应用提供性能优越的金属锂负极，而且为金属锂晶相学等研究提供平整光滑锂表面的一种金属锂表面的电化学抛光方法。

本发明包括以下步骤：

1)在电解池中设有电极室，在电极室内注入电解液，并放入两片金属锂片分别作为工作电极和对电极，并与金属锂参比电极构成三电极体系；

2)工作电极、对电极和参比电极分别与恒电位仪的工作电极、对电极和参比电极连接，以控制金属锂工作电极恒电位或恒电流极化；对工作电极施加氧化电位，使工作电极发生锂的溶出反应(即电化学剥离过程),再对工作电极施加还原电流，并使工作电极在该还原电流下发生锂沉积反应(即电化学沉积过程)，同时完成电解液的还原，即得大范围原子平整的金属锂表面和分子尺度光滑的SEI膜，完成金属锂表面的电化学抛光。