[发明专利]复合锂金属负极及其制备方法

说明书

本发明属于锂电池领域，具体涉及一种复合锂金属负极及其制备方法。制备方法为在氩气保护的手套箱内将金属锂加热至熔融态，使三维碳片与熔融锂接触，待三维碳片被金属锂浸渍完全，取出冷却至室温，得到复合锂金属负极。本申请的三维的碳集流体以天然生物质柳絮为原料，经抽滤、碳化处理后得到三维的碳薄片。碳化后的柳絮含有大量的杂原子(主要为N和O)，同时保留了中空的管状结构，通过毛细作用，又可以很容易的将熔融的金属锂注入到整个三维网络中。另外，构成的三维导电碳骨架和丰富的空间既诱导了锂的均匀沉积，又能适应体积变化，有利于得到稳定的锂金属负极。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体涉及一种复合锂金属负极及其制备方法。

背景技术

传统锂离子电池由于能量密度有限，在电动汽车及电网储能的应用中面临着巨大的挑战。对于发展高能量密度的锂离子电池来说，高比容量、稳定的电极材料是必不可少的。

锂金属由于具有较高的理论比容量(3860mAh/g)和较低的氧化还原电位(-3.04V)，被认为是理想的负极材料。

然而，锂金属负极在反复充放电循环过程中，容易产生严重的枝晶问题和大的体积膨胀，导致固态电解质中间层(SEI)的持续破裂和再生成，导致库仑效率降低，容量急剧衰减，甚至存在严重的安全隐患。这些问题严重阻碍了锂金属在高能量密度二次电池中的实际应用。

在过去的几十年里，科研人员为解决上述问题做出了大量的努力，包括电解质优化、界面改性和结构设计。但前两种方法不能从根本上抑制锂金属负极在循环过程中的体积变化，所以近年来，人们通过集流体的结构设计来调节锂金属的沉积，减小体积变化，实现锂金属负极的稳定循环。非专利文献报道，三维的多孔铜集流体被用来作为锂金属的结构基体，复合负极在电池工作过程中，获得了良好的循环稳定性。

与金属基材料相比，碳基基体在轻质、多样性和易改性方面具有独特的优势，在制备稳定的锂金属负极方面具有很大的潜力。

然而，大多数三维锂金属负极都是通过在电池中电化学沉积的方法制备，然后进行拆分/回收，在新的电池中作为负极重新使用，这个过程过于复杂，不适合大规模的实际应用。在电池组装前将锂注入三维结构中形成复合负极是一种有效的方法。

对三维集流体，尤其是碳材料的表面来说，通常是疏锂的，这使得锂的引入比较困难。近年来，人们探索了多种的亲锂性修饰材料，如金属，金属氧化物、金属有机骨架(MOF)衍生物以及表面功能化修饰(如杂原子掺杂)改善表面性质，来调节锂的沉积行为和增强对锂的亲和性。然而，大多数的修饰仍然比较复杂，无法进行拓展。因此，迫切需要开发一种操作工艺简单、性能稳定的锂金属负极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合锂金属负极及其制备方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种复合锂金属负极的制备方法,包括下述步骤：在氩气保护的手套箱内将金属锂加热至熔融态，使三维碳片与熔融锂接触，待碳片被金属锂浸渍完全，取出冷却至室温，得到复合锂金属负极。

所述的三维碳片使用天然柳絮，经清洗抽滤，由于纤维状结构相互交织，可以得到自支撑的柳絮片。经碳化，柳絮的中空结构以及柳絮片的三维结构得以保留。

碳化条件为：选用氮气、氩气、氦气等惰性气体保护，以1-10℃/min升温至500-1500C，保温时间为1-5h。自然冷却至室温，得到三维的柳絮碳片。

锂金属的加热温度为200-500℃。温度升高粘度较少利于反应。

一种所述的制备方法得到的复合锂金属负极，包括三维碳片以及填充在所述的三维碳片内的锂金属，其中锂金属的含量为20％-90％。