[发明专利]一种金属锂电池用集流体、负极及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种用于高能二次锂电池的金属锂负极。所述的金属锂负极包括平面金属集流体，所述的平面金属集流体带有第一表面和第二表面；所述的平面金属集流体上设置有多个贯穿第一表面和第二表面且彼此独立的孔道，孔道的横截面呈矩形；平面金属集流体第一表面和/或第二表面的金属上复合有绝缘层A，孔道中的任意相对的两个表面的金属上复合有绝缘层B。覆盖在矩形微米孔道长面的绝缘层有利于金属锂在微米孔道的宽面沉积，有利于保证在金属锂沉积和溶解过程中SEI膜在宽面上下浮动，从而避免在锂沉积溶解过程中发生SEI膜的挤压和破裂。如此设计的金属锂负极可以实现超稳定和超长时间的循环。

技术领域

本发明属于储能材料领域，具体涉及一种用于高能二次锂电池的金属锂负极。

背景技术

金属锂凭借着其高的比容量(3860mAh/g)和低的电极电位(-3.04V)是二次电池理想材料。因此，将金属锂直接作为二次电池的负极材料是众多材料专家和科研工作者梦寐以求的事。

金属锂负极在电池中的作用机制是金属锂的沉积和溶解，其基本反映式为：充电：Li⁺+e＝Li；放电：Li-e＝Li⁺。不同于常规的锂离子电池的负极发生的是锂离子在石墨负极中的嵌入和脱出。

锂枝晶的生长和锂金属表面SEI膜的破裂，生成以及不断的累积一直制约着金属锂走向实际的应用。为解决锂枝晶问题，现有技术大致采用具有高比表面积的3D集流体来负载金属锂，从而充分降低电极的表观电流密度。如西北工业大学的Chao Shen课题组[K.Xie，W.Wei，K.Yuan，W.Lu，M.Guo，Z.Li，Q.Song，X.-R.Liu，J.-G.Wang，C.Shen，Towardsdendrite-free lithium deposition via structural and interfacial synergisticeffects of 3D graphene@Ni scaffold，Acs Appl Mater Inter 8(39)(2016)26091-26097.]采用石墨烯修饰的泡沫镍作为工作电极，实现了在1mA/cm2的电流密度下100圈的稳定循环。类似的，深圳清华研究院的Quan-Hong Yang课题组[Q.Yun，Y.-B.He，W.Lv，Y.Zhao，B.Li，F.Kang，Q.-H.Yang，Chemical dealloying derived 3D porous currentcollector for Li metal anodes，Advanced Materials 28(32)(2016)6932-6939.]采用去合金化得到的多孔铜作为集流体，实现了在1mA/cm2的电流密度下150圈的稳定循环。但是高比表面积的3D集流体导致大量界面反应的发生，使3D集流体生成了大量的SEI膜，导致活性金属锂和电解液大量的消耗。更为严重的是，在持续锂沉积过程中这层SEI膜持续膨胀，而在锂溶解的过程中又将发生持续的收缩。随着循环的进行，这层SEI膜将破裂，并不断的生成和累积，导致电池极化的增加和容量的下降，甚至是引发安全事故。

因此，构造稳定的SEI膜是实现金属锂走向产业化应用及其重要的一步。如华中科技大学的Yunhui Huang课题组[J.Xiang，Y.Zhao，L.Yuan，C.Chen，Y.Shen，F.Hu，Z.Hao，J.Liu，B.Xu，Y.Huang，A strategy of selective and dendrite-free lithiumdeposition for lithium batteries，Nano Energy 42(2017)262-268.]采用Nafion层包覆的中空碳材料作为集流体，实现了在2mA/cm2的电流密度下80圈的稳定循环。但是在持续的循环过程中，SEI膜因锂的沉积和溶解而不断的挤压和收缩，最终将导致锂金属电池的循环性能难以达到实际应用的需求。

发明内容

为解决现有锂金属电池容易产生锂枝晶、SEI膜不稳定等导致电池性能差的问题，本发明第一目的在于，提供一种金属锂电池用集流体，旨在解决锂枝晶、SEI膜稳定性差等问题，达到提升其电学性能的目的。