[发明专利]碱金属负极的保护方法及其制得的负极和应用

说明书

本发明属于锂金属电池技术领域，具体公开了碱金属负极的保护方法，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，制得所述的导热碳膜；随后将制得的导热碳膜叠放在碱金属负极的表面且覆盖整个碱金属负极的表面，获得保护处理的碱金属负极。本发明还提供了所述的保护方法获得的碱金属负极以及碱金属电池。该方法简单高效，且不改变原有的电池制造工艺。添加保护层后，降低了电池的形核过电势，提高了库伦效率和循环稳定性，极具实用前景。

技术领域

本发明涉及一种电化学储能负极技术领域，具体涉及一种碱金属负极的保护方法。

背景技术

锂、钠、钾等碱金属由于具有理论比容量高、电化学电势低的特点，被认为是理想的高能二次电池负极材料。然而，由于金属在电池的充放电过程中，不均匀的沉积和溶解造成枝晶的生长，容易引起低库伦效率、短循环寿命甚至安全问题，这些问题极大地制约了碱金属作为高能量密度二次电池的实际应用进程。

目前为了解决碱金属负极中的枝晶问题，其解决策略主要包括电解液优化、人造固态电解质膜(SEI膜)、电极结构设计等，提高碱金属电池的库伦效率和循环稳定性。例如：通过提高电解液浓度、添加电解液添加剂改善固态电解质膜的稳定性；或者通过分子沉积技术、原子沉积技术在隔膜或者金属表面沉积一层固态电解质膜；或者对电极进行设计，制备成三维电极结构，降低电流密度，从而缓解枝晶形成和体积膨胀。然而，这些方法往往需要耗费较高的制作成本，而且与现行的电池制备工艺不能完美兼容。因此，亟需寻找一种更为高效便利的改善碱金属负极库伦效率和循环稳定性的方法。

发明内容

为解决现有碱金属电池循环过程中金属不均匀沉积/溶解和枝晶生长等问题，本发明第一目的在于，提供了一种碱金属负极的保护方法，旨在通过在碱金属负极表面叠放一层所述工艺获得的导热碳膜保护层，一方面可以均匀电极表面的电流密度，利于金属的均匀沉积，另一方面，保护层可以作为一层物理屏障，抑制枝晶的进一步生长，避免刺穿隔膜，从而提高碱金属电池的安全性能。

本发明第二目的在于，提供一种所述的保护方法制得的保护处理的碱金属负极。

本发明第三目的在于，提供一种所述的保护处理的碱金属负极的应用。

本发明第四目的在于，提供了一种碱金属电池。

常规的碱金属离子电池负极充放电过程为离子的嵌入或脱嵌。而碱金属电池的充放电是碱金属的沉积和溶解过程；以锂金属电池为例，其基本反应式为：充电:Li⁺+e＝Li；放电:Li-e＝Li⁺。碱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，金属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。为解决碱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物质形成贴合包覆层，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：

一种碱金属负极的保护方法，包括以下步骤：

步骤(1)：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，制得所述的导热碳膜；其中，聚合物裂解的条件为500～1200℃；压制成膜过程的压力范围为6～10MPa、辊压速度为0.5～1m/min；导热碳膜的石墨烯的重量含量为5％～30％，孔隙率为0.1％～10％；

步骤(2)：碱金属沉积：

将制得的导热碳膜叠放在碱金属负极的表面且覆盖整个碱金属负极的表面，获得保护处理的碱金属负极；

所述的碱金属为金属锂、金属钠、金属钾中的至少一种。