[发明专利]一种金属锂单质及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种金属锂单质及其制备方法与应用，制备方法包括：1)从锂矿石浸出液或净化后的盐湖卤水中提取锂盐固体；锂盐固体包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和/或高氯酸锂和/或氯化锂和/或碳酸锂和/或硫酸锂；2)将步骤1)所得的碳酸锂和/或硫酸锂经氯化转型、浓缩和干燥后得到氯化锂；3)将步骤1)所得双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸锂或氯化锂或步骤2)所得氯化锂进行熔融电解，得到金属锂单质。本发明提供的金属锂负极可抑制电解液分解和锂枝晶生长，提高了电池的循环稳定性和安全性。金属锂电池在电流密度为1mA/cm²下进行充放电，可稳定循环300次以上，比容量稳定在110mAh/g以上，平均库伦效率达99％以上。

技术领域

本发明涉及冶金物理化学领域，特别涉及一种金属锂单质及其制备方法与应用。

背景技术

随着传统电器小型化、超薄化的发展趋势，社会对高能量密度电池的需求日益加剧。目前使用最普遍的石墨负极的理论比容量仅为372mAh/g，很大程度上限制了电池能量密度的提升。金属锂作密度和电化学电势(-3.04V vs.标准氢电极)最低的金属元素，其理论容量高达3860mAh/g。因此用金属锂作为负极的锂二次电池能极大提高电池的能量密度，被视为是未来新一代电池最理想的负极材料。

然而，金属锂负极目前无法满足电池安全性和使用寿命的要求，主要原因在于：金属锂电池运行过程中不均匀的沉积/脱离，容易产生锂枝晶，进而刺穿隔膜，造成安全隐患。另外，单质锂活性较高，易与电解液发生副反应，金属锂表面的SEI膜(固体电解质界面膜)周而复始的破裂与再生，损耗电解液和造成“死锂”，降低电池的能量和使用寿命。为了克服上述金属的的问题，研究者提出了多种解决方案，最常用的就是实现金属锂的均匀沉积和稳定的SEI膜结构。Liu Shan等(Joule,2018,2(1),184-193)等将一种褶皱纸团状的石墨烯集流体作为金属锂的沉积载体，其较大的比表面积降低了负极的电流密度，抑制锂枝晶的生长。同时，石墨烯的缓冲效应和内部空间能缓解金属锂的体积膨胀，实现高负载锂的均匀沉积。Lu Yingying等(Angew Chem Int Ed Engl2014,53(2),488-492)将功能化纳米二氧化硅作为电解液添加剂，固定TFSI阴离子，稳定空间电荷分布，防止电荷集中，实现金属锂均匀沉积，避免枝晶生长。

上述思路提供了多种基于外部手段抑制锂枝晶方案，但同时也引发了其他问题，三维集流体在沉积锂后需要拆卸-重新组装电池，流程复杂，极高的比表面积会增大锂的活性，实施条件很苛刻，并且多余的3D骨架降低了电池的能量密度；而电解质添加剂会增加电解质的粘度，降低锂离子的传输能力，不利于电池的大电流工作。

另外，传统的金属锂制备工艺从含锂水相中提取金属锂的流程复杂，必须经过萃取、反萃、结晶转型、电解等多个复杂步骤，且电解制备的金属锂虽纯度较高，但直接作为金属锂存在上述金属锂负极所存在的问题。

发明内容

本发明提供了一种金属锂单质及其制备方法与应用，其目的是为了抑制锂离子电池中电解液的分解与锂枝晶生长，提高循环稳定性和安全性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属锂单质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)从锂矿石浸出液或净化后的盐湖卤水中提取锂盐固体；

其中，所述锂盐固体包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和/或高氯酸锂和/或氯化锂和/或碳酸锂和/或硫酸锂；

2)将步骤1)所得的碳酸锂和/或硫酸锂经氯化转型、浓缩和干燥后得到氯化锂；

3)将步骤1)所得双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸锂或氯化锂或步骤2)所得氯化锂进行熔融电解，得到金属锂单质。

优选地，步骤1)所述锂矿石浸出液或净化后的盐湖卤水中锂与镁的浓度比，以及锂与硼的浓度比均大于1。