[发明专利]一种防锂枝晶的锂金属电池负极侧隔层材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种防锂枝晶的锂金属电池负极侧隔层材料的制备方法。以聚丙烯腈和碳纳米管为原料，通过制备膜液、溶剂相转化、预氧化、碳化，得到防锂枝晶的CNT@C复合膜材料(CNT@C隔层材料，作为锂金属电池负极侧隔层材料)，将具有海绵孔结构与高导电性的CNT@C隔层材料覆盖于锂片之上，对锂金属电池负极进行保护，防止锂枝晶及电池短路。在8mA h cm^‑2和8mA cm^‑2的高电镀/剥离容量和电流密度下，Li/CNT@C电极运行500h后过电势约为0.15V。当以LiFePO₄为正极组装全电池时，Li/CNT@C电池循环600次的容量保持率为82.5％，表明CNT@C隔层材料对减缓锂枝晶生长、延长电池循环寿命的效果较好。

技术领域

本发明涉及锂金属电池隔层领域，具体涉及一种防锂枝晶的锂金属电池负极侧隔层材料的制备方法。

背景技术

全球经济的持续增长对于能源的需求量越来越大，目前已探明的化石能源储量并不乐观，化石燃料燃烧产生的二氧化碳，造成全球范围内的温室效应。太阳能、潮汐能等可再生能源可以有效减少碳排放，保护环境，但是不稳定、间歇性的特点限制了此类能源的利用。储能设备因此得到了越来越多的关注，尤其锂电池，近年来发展迅速。

锂电池已经渗透到我们生活的各个领域，手机、电脑以及近几年火热的新能源汽车领域都利用到锂电池。锂电池大致可分为锂离子电池和锂金属电池，相对而言，锂金属电池在安全性、比容量、自放电率等方面更占优势，但其对技术要求也更高。锂金属电池以金属锂作为负极，正极一般采用二氧化锰等材料，也可以采用硫、氧等理论比容量更高的材料。随着科学技术的迅猛发展，航空航天、新能源汽车、高铁以及大型储能电网等行业也迎来了快速发展的时期，对于储能设备的要求也越来越高，高能量密度的锂金属电池可以很好的满足人们对于高能量密度、高功率密度的储能设备的要求。锂金属电池也成为近年来研究的热点。但是，锂金属电池在充放电过程中产生的锂枝晶，严重影响了电池的安全性、循环稳定性。如何保护锂金属电池的金属锂负极，抑制锂枝晶的形成，保障锂金属电池的寿命和安全性能，成为锂金属电池研究的关键一环。目前对于锂金属电池负极的保护主要包括优化电解质、隔膜改性、结构化负极以及添加隔层等四个方面。在金属锂负极和隔膜之间加入隔层是一种简单有效的负极保护手段，隔层的存在能够稳定金属锂表面，调节锂离子的沉积行为，并充当物理屏障以阻止锂枝晶向正极生长。添加隔层的方法流程简单，易于操作，但目前的隔层材料存在结构设计不合理、不易放大制备等问题，如何通过结构调控设计出具有适宜纳米结构和良好导电性的碳基材料，并规模化制备，在抑制锂枝晶生长、保护锂负极方面具有重要意义。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种防锂枝晶的锂金属电池负极侧隔层材料的制备方法。以聚丙烯腈和碳纳米管为原料，通过制备膜层、溶剂相转化、预氧化、碳化，得到防锂枝晶的锂金属电池负极侧隔层材料(CNT@C)，对锂金属电池负极进行保护。具有海绵孔结构与高导电性的CNT@C隔层材料覆盖于锂片之上，能够使锂的沉积更加均匀，且CNT@C隔层能够作为物理屏障阻碍锂枝晶的生长。实验证明CNT@C隔层可以有效减缓极化现象，使电池的循环性能更加稳定，并能够实现规模化生产。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种防锂枝晶的锂金属电池负极侧隔层材料的制备方法，包括以下步骤：

1)CNT@PAN复合膜材料的制备

将聚丙烯腈(PAN)和加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合，搅拌后加入碳纳米管(CNT)。然后置于油浴锅中，于60-80℃下搅拌8-12h，形成均匀、粘稠的黑色铸膜液。待铸膜液冷却至室温，使用自动涂覆机将铸膜液涂覆于干燥洁净的玻璃板上，形成液膜。将玻璃板迅速转移至凝胶浴中，基于相转化原理形成CNT@PAN复合膜，浸泡20-24h后取出晾干，再将其转移至真空干燥箱中，进行真空干燥；所述铸膜液中聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺、碳纳米管的物料质量比为1:12:1～5:12:5，例如1g：12g：1g，超出此比例范围无法制备具有本专利的网络交联孔结构隔层材料；