[发明专利]锂金属复合电极及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明提出了锂金属复合电极及其制备方法、锂离子电池。该锂金属复合电极包括：碳纸；亲锂层，覆盖碳纸的空隙的表面；金属锂，填充在碳纸的空隙内。本发明所提出的锂金属复合电极，其支撑结构选择多空隙的碳纸，碳纸的空隙表面包覆一层亲锂层可赋予支撑结构的表面亲锂性能，从而降低金属锂的成核过电势，在充放电过程中可有效地诱导金属锂在碳纸上均匀成核，进而减少了在充放电过程中锂枝晶的产生，并且，金属锂均匀地分布在碳纸的空隙中可显著地减轻其在充放电过程中的体积膨胀问题，同时，三维多空隙结构的碳纸具有较高的比表面积，增加锂金属的有效接触面积，进而提高锂金属复合电极的比容量。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体的，本发明涉及锂金属复合电极及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

随着电动汽车、移动电子设备的快速发展，当前社会对于高能量密度锂电池的需求变得日益突出。其中，锂金属作为一种理想的负极材料，具有比石墨负极更高的理论比容量(3860mAh/g)、更低的电势(-3.04vs.标准氢电极)而引起人们的广泛关注。采用金属锂作为负极材料可有效地提高电池的能量密度、扩大电池的工作电压，减轻电池的能量衰减。

但是，采用金属锂作为负极使用过程中在充电时，锂离子会在锂金属表面沉积而形成枝晶，从而容易刺穿隔膜，进而会引起电池短路、发生危险；同时，锂枝晶还会增加电解液与锂金属的副反应，而消耗锂活性物质、降低利用率；此外，在循环过程锂金属中也存在严重的电极膨胀问题，会产生无限的相对体积变化，降低电池的循环库伦效率和寿命。

因此，设计一种有效抑制锂枝晶的产生、减少体积膨胀的特殊结构锂金属负极材料显得尤为重要。清华大学张强课题组(Joule 2,1-14,April 18,2018)通过在珊瑚状碳纤维的表面电沉积银(Ag)来改善碳纤维的亲锂性能，并进一步采用高温注锂的方式制备锂金属负极材料；不过，该法沉积过程非常复杂，且制备的设备要求过于苛刻。加拿大SunXueliang课题组(Zhao,Y.,Nano Energy(2017),https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.11.032)通过在锂金属表面引入碳纸插层有效的抑制了锂枝晶的产生；但是，此法反而会增加锂金属负极材料的厚度，降低电池的能量密度。

现阶段，锂金属复合电极的结构和材料的设计都有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

本发明的发明人在研究过程中发现，锂金属的负极在充电过程中易产生锂枝晶且会发生体积膨胀造成电池短路，所以设计了一种特殊三维结构的锂金属复合电极，以解决电池在工作中出现的上述问题。具体的，采用具有三维结构的碳纸作为多空隙的支撑结构，在碳纸表面均匀地包覆一层氧化锌等亲锂材料可赋予支撑结构的表面亲锂性能，可降低空隙中填充的金属锂的成核过电势，可有效地诱导金属锂在充放电过程中在碳纸上均匀成核，从而降低了充放电过程中锂枝晶的产生。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种循环稳定性高、充放电过程中枝晶问题更小、安全性能更好或者锂离子利用率更高的锂金属复合电极。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种锂金属复合电极。

根据本发明的实施例，所述锂金属复合电极包括：碳纸；亲锂层，所述亲锂层覆盖所述碳纸的空隙的表面；金属锂，所述金属锂填充在所述碳纸的空隙内。

发明人经过研究发现，本发明实施例的锂金属复合电极，其支撑结构选择多空隙的碳纸，碳纸的空隙表面包覆一层亲锂层可赋予支撑结构的表面亲锂性能，从而降低空隙中填充的金属锂的成核过电势，可有效地诱导金属锂在充放电过程中在碳纸上均匀成核，进而减少了在充放电过程中锂枝晶的产生，并且，金属锂均匀地分布在碳纸的空隙中可显著地减轻其在充放电过程中的体积膨胀问题，同时，三维多空隙结构的碳纸具有较高的比表面积，增加锂金属的有效接触面积，进而提高锂金属复合电极的比容量。