[发明专利]一种基于尖端效应的无枝晶金属负极载体及其制备方法

说明书

本发明属于锂/钠/钾离子电池及金属锂/钠/钾负极制备技术领域，公开了一种基于尖端效应的无枝晶金属负极载体及其制备方法。该方法包括：称取无机盐和H₂dpa，溶于乙醇溶液中，在室温避光条件下搅拌，形成凝胶状液体；称取氧化石墨烯粉末加入上述凝胶液中并超声搅拌；将上述混合液进行冷冻干燥处理，取出形成的气凝胶；气凝胶置于管式炉中煅烧后取出，组装电池沉积金属锂/钠/钾，最终形成金属复合负极极片。所述的金属负极载体具有制备方法简单，控制方便，产量大，易于工业化等优点。制备的这一具有尖端效应的金属负极载体在锂/钠/钾金属电池的应用方面中表现出良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂/钠/钾离子电池及金属锂/钠/钾负极制备技术领域，具体涉及一种基于尖端效应的无枝晶金属负极载体及其制备方法。

背景技术

伴随着科技的持续进步，人类对于能源的需求也在日渐增长。高效的能源存储和转换是科技发展的动力，电池的出现能够帮助我们可以更加高效和便捷地利用能源。自上世纪以来，多种电池形式已经实现了商业应用，如：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池等。锂离子电池的出现改变了人们的生活方式，促进了便携式摄像机、手机、笔记本电脑以及电动汽车等领域的快速发展。

然而，尽管锂离子电池有着迅速的发展，但是这些商用电池的能量密度却增长缓慢。在过去的150年里，电池的能量密度仅从过去铅酸电池的40Wh·kg^-1提高到目前锂离子电池的200Wh·kg^-1。这样的增长速度远远无法满足人们对于能源的需求。随着锂离子电池中石墨负极的实际能量密度逐渐接近于其理论极限值，我们迫切需要更加高效的电极材料以满足新兴的高端储能器件发展的需求。

锂金属负极以其极高的理论容量(3860mAh·g^-1)和最低（负）的电势(-3.04V vs标准氢电极)而被广泛的认为是最有希望的锂离子负极材料，受到了研究人员的极大关注。目前，以金属锂作为负极的锂金属电池主要有：锂-硫电池、锂-空气电池和锂-氧化物电池，这些新型电池均表现出了很高的理论能量密度(锂-空气电池: 3500Wh·kg^-1，锂-硫电池:2600 Wh·kg^-1，锂-氧化物电池:1000-1500Wh·kg^-1。因此，以金属锂为负极的锂金属电池很有可能成为下一代储能电池。但是，这些金属锂电池存在严重的安全问题（锂枝晶生长），难以稳定循环。锂枝晶生长会导致电池短路，进而可能造成热失控，引发着火、甚至爆炸的风险。这个问题直接导致锂金属二次电池无法实现商业应用。自从锂离子电池商业应用之后，大部分锂金属电池产品都被市场抛弃。然而，作为一种具有极高能量密度的负极材料，研究人员对金属锂的探索从来都没有停止过。近年来，人们开发出了多种新兴策略来抑制金属锂负极的锂枝晶生长，从而提高电池的安全性和使用寿命，以期待其最终的实际应用。

利用亲锂材料作为金属锂负极的集流体是一种非常有效的方法，能够减少金属锂沉积过程中所产生的过电势，并且能够有效地抑制锂枝晶的生长。（Xu, Y., Li, T., Wang, L. P., Kang, Y. J., Interlayered Dendrite‐Free Lithium Plating for High‐Performance Lithium‐Metal Batteries. Adv. Mater. 2019, 31, 1901662.）然而，金属锂沉积过程中的成核阶段是决定金属锂是否均匀沉积的关键，同时由于集流体表面的电场强度分布、电流密度分布、锂离子浓度分布等都是影响锂枝晶生成的主要因素，目前对于集流体表面这些物理因素的研究并不充分。因此金属锂负极材料需要更加深入的研究。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于尖端效应的无枝晶金属负极载体及其制备方法，旨在调控其集流体表面的电场强度分布、电流密度分布、锂离子浓度分布等影响金属锂成核的物理参数。