[发明专利]自支撑金属锂负极及其制备和应用

说明书

本发明属于锂金属电池技术领域，具体涉及一种自支撑金属锂负极的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)：将聚合物裂解，获得聚合物碳材料，将聚合物碳材料和石墨烯混合、压制成膜，制得所述的自支撑导热碳膜；步骤(2)：采用高温熔融灌入或者电化学沉积方式将金属锂沉积在自支撑导热碳膜中，获得所述的自支撑金属锂负极。本发明还公开了所述的制备方法制得的锂金属电池负极及其应用。本发明制备方法制得的负极具有轻质柔性、机械性能高、孔隙率可调，厚度可控的优点，用作金属锂负极时可以降低电流密度，均匀锂的沉积，获得高库伦效率和长循环稳定性的金属锂电池。

技术领域

本发明涉及一种电化学储能负极技术领域，具体涉及一种锂金属负极材料。

背景技术

锂离子电池的成功商业化极大的促进了电池科技的进步和人们生活的便利。但是，随着人们对便携式电池的高容量和柔性需求的增长，开发更高能量密度的柔性电池成为储能技术领域的关键科学问题。金属锂由于具有高的理论比容量和低电化学电势，被认为是理想的高能二次电池材料。不同于常规的锂离子电池的阳极发生的是锂离子在石墨阳极中的嵌入和脱出；锂金属电池阳极的充放电过程是锂金属的溶解和沉积过程；其基本反应式为：充电:Li⁺+e＝Li；放电:Li-e＝Li⁺。而金属锂在反复充放电过程中易出现粉化、枝晶等问题，导致其循环性能较差，锂枝晶刺穿隔膜造成电池短路还有可能引发严重的安全事故。此外，柔性电子器件在通信、医疗健康和传感器等领域有着广泛应用。作为电子设备中的能量来源，高性能柔性锂电池对其发挥着不可或缺的作用。因此，将金属锂制备成柔性高能二次电池，具有非常重要的意义。研究人员为了开发出结构稳定的柔性金属锂负极，提出了各种解决方案。例如使用具有柔性金属网状骨架、三维石墨烯骨架等等。张强等人(Advanced Functional Materials,2017,27(24):1700348)通过将熔融锂灌入泡沫镍中制备了柔性金属锂电极。

然而，现有金属锂负极骨架，存在以下不足：1)使用金属网状骨架本身为惰性集流体，且质量较大，会降低电池的能量密度，与使用金属锂负极提高能量密度的初衷背道而驰；2)金属锂负极骨架的亲锂性较差，在熔融或电化学沉积过程中不能实现均匀沉积，易导致库伦效率和循环寿命的降低。因此开发和设计具有轻质柔性、长循环寿命及稳定结构的金属锂负极是克服上述问题的关键，也是研究的热点和难点。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明第一目的在于，提供了一种自支撑金属锂负极的制备方法，旨在获得高性能的锂金属负极材料。

本发明第二目的在于，提供一种所述的制备方法制得的自支撑金属锂负极。

本发明第三目的在于，提供一种所述的自支撑金属锂负极的应用。

本发明第四目的在于，提供了一种包含所述自支撑金属锂负极的锂金属电池。

常规的锂离子电池负极充放电过程为Li+嵌入或脱嵌。而金属锂电池的充放电是锂金属的溶解和沉积过程；其基本反应式为：充电:Li⁺+e＝Li；放电:Li-e＝Li⁺。锂金属负极在充长期放电过程中易出现粉化、枝晶等问题，导致其循环性能较差，锂枝晶刺穿隔膜造成电池短路还有可能引发严重的安全事故。为解决锂金属电池长期循环的粉化、枝晶等问题，现有的常规技术是在集流体上涂覆活性吸附材料，然而这种技术效果有限，并不能有效改善长期循环效果，为此，本发明提供了以下方案：

一种自支撑金属锂负极的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：自支撑导热碳膜的制备：

将聚合物裂解，获得聚合物碳材料，将聚合物碳材料和石墨烯混合、压制成膜，制得所述的自支撑导热碳膜；其中，聚合物裂解的条件为500～900℃；压制成膜过程的压力范围为5～10MPa、辊压速度为0.5～2m/min、温度为350～450℃；石墨烯的重量含量为5％～30％；

步骤(2)：金属锂沉积：