[发明专利]一种锂金属电池锂负极的表面修饰改性方法及锂金属电池

说明书

本发明公开了一种锂金属电池锂负极的表面修饰改性方法及锂金属电池。该改性方法包括如下步骤：在干燥的保护气体气氛中，将金属锂负极浸渍在含氟离子液体中，或者将含氟离子液体涂抹在金属锂负极的表面，经氟化作用后，取出，在金属锂负极的表面形成一层富含氟化锂的保护层，得到氟化锂包覆的金属锂负极。本发明经过表面氟化作用得到的氟化锂保护层十分均匀且密集，能够减少金属锂与电解液的消耗，抑制锂枝晶的形成，使金属锂负极具有放电比容量更高、循环寿命更长和安全性能更佳等优点，实现了锂金属电池在长循环过程中的稳定与高效，能够达到高能量高功率动力电池的使用要求，有利于推进锂金属电池的产业化进程，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料及电化学领域，具体涉及一种锂金属电池锂负极的表面修饰改性方法及锂金属电池。

背景技术

随着工业的不断发展，传统的矿物燃料在燃烧中产生大量的有害气体和烟尘不仅严重影响着自然环境和社会环境，对人类的生存环境也构成了巨大威胁。因此，开拓可再生清洁能源就成为当务之急。锂离子电池因其具有操作电压宽、放电容量高、放电平稳、环境友好等优点，被广泛应用于便携式电子产品中。近年来，随着电动汽车以及大规模储能领域的日益崛起，这要求相应的电极材料具有更高的比容量、更高的能量功率密度以及更长的循环寿命。然而现有的锂二次电池因其比容量受限，已远远不能满足先进能源储存设备的要求。锂金属负极由于其具有超高的理论比容量(3860mAh/g)以及最低的氧化还原电位(-3.04V)，被视为是锂二次电池负极材料中的“圣杯”，既可以被应用于锂空气、锂硫等高能量密度电池中，也可以与锂离子正极材料相匹配，从而达到先进储能材料的要求。

然而，锂金属负极在沉积过程中易形成不规则锂枝晶以及锂负极与有机电解液的不可逆反应，造成不可逆容量损失，使得循环性能迅速衰退。一方面，产生的锂枝晶很容易脱落而形成“死锂”，不仅降低了电池的库伦效率而且加剧了副反应的发生。另一方面，形成的锂枝晶极易刺穿隔膜而引起内部短路，甚至发生起火或爆炸等安全事故。为了解决上述问题，国内外研究人员对此作了大量的改性工作。例如，崔屹课题组采用一种相连且具有一定机械强度的纳米空心球作为固态电解质膜，这种膜有效地防止了锂负极与电解液的接触，显著地抑制了锂枝晶的生长并提高了材料的库伦效率(Nature Nanotechnology，2014，9，618-623)。张强等通过掺氮石墨烯上具有亲锂性的含氮官能团(吡啶氮、吡咯氮等)，电解质中的锂离子可以在充电开始时优先沉积在导电亲锂的掺氮位点，以形成均匀分布的金属锂成核点，在继续进行的充电过程中，锂离子将基于这些均匀成核点进行均匀沉积，从而避免了过度分散的成核点带来的锂枝晶问题。在1mA/cm²的电流密度和1mAh/cm²的沉积容量下，采用掺氮石墨烯骨架的金属锂作为负极时，循环200圈后其库仑效率仍可以维持在98％左右(Angewandte Chemie International Edition，2017，56，7764-7768)。上述研究成果为抑制锂枝晶生长提供了一种思路，但是这些制备方法比较困难，难以实现大规模生产。

因此，研究采用简单、易于操作的锂金属负极的表面处理方法，经过氟化作用后形成的富含氟化锂的固体电解质界面保护膜，该保护膜作为锂负极与有机电解液的阻挡层，将能有效抑制副反应的发生，从而抑制锂枝晶的生长，延长锂负极的循环性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中，金属锂负极存在库伦效率低、锂枝晶生长及其引起的安全问题的不足，提供了一种锂金属电池锂负极的表面修饰改性方法。该方法将含氟离子液体与金属锂通过原位氟化作用形成含有氟化锂的保护层，经简单修饰后，锂金属负极可更好地应用于锂二次电池中。

本发明的目的还在于提供一种基于上述方法改性得到的锂负极的锂金属电池。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种锂金属电池锂负极的表面修饰改性方法，包括如下步骤：