[发明专利]一种三明治结构的复合金属锂负极及其制备方法

说明书

一种三明治结构的复合金属锂负极及其制备方法，属于二次电池技术领域。该三明治结构的复合负极由集流体、锂带和界面层自下而上叠加而成。其制备方法为：首先将界面层材料配成浆料，将其涂覆于金属箔或隔膜上，烘干待用；然后将集流体、锂带和涂有界面层材料的金属箔或隔膜依次叠放，将这三层同时通过轧机进行辊压；再将压制所得三明治结构表层的金属箔或隔膜剥离，进而获得具有界面层的复合金属锂负极。本发明的制备方法操作方便、工艺简单，可实现自动成卷连续化生产，同时能保证产品的一致性和批次之间的重现性。该方法所得三明治结构复合金属锂负极可以改善锂枝晶生长、提高电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种二次电池的金属锂负极及其制备方法，具体涉及一种辊对辊连续制备三明治结构的复合金属锂负极及其制备，属于二次电池技术领域。

背景技术

金属锂电池(如锂硫电池、锂空气电池)因具有比现有商业化锂离子电池更高的理论能量密度而成为当前化学电源领域的研究热点。金属锂负极作为金属锂电池的关键组成部分，其安全应用成为了下一代高能量密度金属锂电池的决定因素。

金属锂负极具有极高的理论比容量(3860mAh g^-1)和极低的电势(-3.04V，相对于标准氢电极)，是下一代高能量密度锂电池的理想负极材料。然而，由于锂枝晶的生长所引起的安全隐患和库伦效率低等问题，导致可充金属锂电池至今尚未商业化。目前，常用的改善金属锂负极方法主要有采用电解液添加剂、引入人造界面层、采用聚合物或固态电解质、隔膜修饰以及使用三维骨架等。这些改善方法的主要目的之一是通过原位或非原位的策略来构建稳定的固态电解质界面层(SEI)，其中原位形成稳定SEI主要通过电解液成分的修饰(包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂)来实现；非原位策略主要通过引入人造界面层(包括碳层、Al₂O₃等)来协助形成稳定的SEI。目前，引入人造界面层的方法主要有原子层沉积法(ALD)、分子层沉积法(MLD)以及直接采用碳纸(如石墨烯、碳纳米管、碳纤维形成的碳纸)。这些方法各自存在着一定的局限性，比如ALD和MLD法需要借助特殊设备，操作过程复杂且成本昂贵；直接采用碳纸作为界面层时，碳纸的厚度一般在100μm以上，这会降低电池的体积能量密度。虽然可以通过抽滤、涂覆等方法制得较薄(1～10μm)碳层，但如何将基底(如隔膜、铜箔)上的碳层高效的转移至金属锂负极界面仍是一个很大的挑战。

目前制备复合锂金属电极的方法主要有熔融灌锂法、电化学预沉积锂法和反复辊压法。这些方法各自存在着一定的局限性，比如熔融灌锂法需要将金属锂先熔融因而存在较大的安全隐患；电化学预沉积锂法涉及到电池的拆解和重组装，因而操作复杂、难以实现规模化生产；反复辊压法(专利申请号201710051717.2)中难以实现金属锂与复合物之间的均匀混合。此外，这些方法难以保证批次之间的重现性和产品的一致性。

因此，发展一种能够大规模连续化生产具有人工界面层的复合金属锂负极的方法具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的之一是提供一种三明治结构的复合金属锂负极，使其所得三明治结构的复合金属锂负极可以改善锂枝晶生长，有效提高电池的循环性能；本发明的另一目的是提供一种三明治结构的复合金属锂负极的制备方法，使其操作工艺简单，同时能够大规模连续化生产，并能保证批次之间的重现性和产品的一致性。

本发明的技术方案如下：

一种三明治结构的复合金属锂负极，其特征在于：该复合金属锂负极由集流体、锂带和界面层自下而上叠加而成，其厚度为30-110μm。

优选地，所述集流体采用铜箔、铜网或镍网；所述界面层是由碳材料、硅粉和金属纳米粉中的一种或多种构成。

优选地，所述锂带厚度为20-50μm；所述界面层厚度为0.5-50μm。

本发明提供的一种三明治结构的复合金属锂负极的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：