[发明专利]一种金属锂负极及其制备方法

说明书

本发明提供一种金属锂负极，包括负极集流体和沉积于所述负极集流体内部的负极活性物质层，所述负极活性物质层的材料为金属锂，所述负极集流体包括集流体本体和包覆于所述集流体本体内部孔隙表面及外表面的梯度导离子层，同时保证集流体的离子和电子传输，所述负极活性物质层沉积于所述梯度导离子层表面，所述集流体本体为多孔导电材料，所述多孔导电材料的孔隙率为10％‑95％，所述梯度导离子层为磷化锂、氧化锂、氮化锂、硫化锂、氟化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂、磷酸锂中的至少一种，本发明还提供一种金属锂负极的制备方法。

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种致密的金属锂负极及其制备方法。

背景技术

随着电动车、移动电子设备的飞速发展，开发新一代高能量密度电池体系迫在眉睫。在锂-硫、锂-空气电池体系中，金属锂负极具有较高的理论比容量(3860mAh/g)，最低的电极电位-3.045V(相对于标准氢电极)，且金属锂密度低，因此备受关注。但金属锂负极在充放电过程中不稳定的沉积-脱出，容易产生枝晶和死锂，降低电极的容量和稳定性，一直未能成为商业化二次电池的负极材料。金属锂沉积-脱出过程中产生的体积变化，不但会使固体电解质界面膜遭到破坏，不断暴露新鲜的锂与电解液反应，消耗电解液，而且枝晶的生长会刺穿隔膜，导致电池短路，引发火灾甚至爆炸。

合理设计三维集流体可有效缓解锂枝晶的生长。虽然三维导电骨架可减小电极的有效电流密度，减缓枝晶的生长，但常用的铜、碳材料等集流体表面并不亲锂，不利于锂金属的均匀沉积。而且这些三维集流体通常较厚，内部孔隙利用率很低，降低了电极的体积能量密度。在三维集流体表面包覆亲锂层可有效降低锂金属的形核过电势，但通常会降低电极的导电性，且制备过程复杂，成本较高。

铜集流体是目前最常用的负极集流体，如何解决上述问题，在不影响导电性的同时，提高以铜为集流体的金属锂负极的锂负载量是本领域技术人员需要考虑的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种金属锂负极及其制备方法。所述金属锂负极结构致密，所述金属锂负极通过对集流体本体进行梯度修饰，增强集流体本体与金属锂的亲和性，且亲锂纳米层与锂离子反应后所形成的梯度导离子层，在保证导电性的同时可实现锂金属的致密形核和均匀沉积。本发明提供的金属锂负极的制备方法步骤简单、成本低廉，可实现工业化生产。

本发明提供一种金属锂负极，包括负极集流体和沉积于所述负极集流体内部的负极活性物质层，所述负极活性物质层的材料为金属锂，所述负极集流体包括集流体本体和包覆于所述集流体本体内部孔隙表面及外表面的梯度导离子层，所述负极活性物质层沉积于所述梯度导离子层表面，所述集流体本体为多孔导电材料，所述多孔导电材料的孔隙率为10％-95％，所述梯度导离子层为磷化锂、氧化锂、氮化锂、硫化锂、氟化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂、磷酸锂中的至少一种。

进一步的，所述梯度导离子层的厚度由所述集流体本体的一侧往另一侧逐渐降低或者增加，所述梯度导离子层的厚度范围为1nm 至80nm。

进一步的，所述集流体本体为铜纳米线交织体、泡沫铜、多孔铜箔中的至少一种，所述集流体本体的孔隙率为40％-85％。

本发明还提供一种如权利要求1所述的金属锂负极的制备方法，包括以下步骤：

提供集流体本体，所述集流体本体为多孔导电材料，所述多孔导电材料的孔隙率为10％-95％；

将所述集流体本体置于一反应炉中，在所述反应炉中设置磷源、氧源、氮源、硫源、氟源、氯源、溴源或碘源中的至少一种，使所述集流体本体中的铜与所述磷源、氧源、氮源、硫源、氟源、氯源、溴源或碘源反应，在所述集流体本体表面形成一亲锂纳米层，所述亲锂纳米层为铜的化合物；