[发明专利]一种二次电池用三维多孔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领域，具体公开了一种二次电池用三维多孔金属锂负极及其制备和应用。所述三维多孔金属锂负极由多孔导电集流体，复合在多孔导电集流体表面的人造SEI膜以及负载在多孔导电集流体骨架上的金属锂组成。本发明多孔导电集流体可以显著降低金属锂负极循环过程中的表观电流密度；而人造SEI膜可以显著降低金属锂与电解液的接触，抑制界面副反应，实现在大电流密度下长寿命和高库伦效率的稳定循环。

技术领域

本发明属于锂金属电池领域，具体涉及一种二次电池用三维多孔金属锂负极及其制备与应用。

背景技术

金属锂拥有极高的理论容量，极低的电极电位，使之成为一种极为理想的负极材料，金属锂电池的负极通常为金属锂单质，发生的是金属锂的沉积和溶解。电池的作用机制为，充电:Li++e＝Li；放电:Li-e＝Li+；金属锂为阳极的锂硫电池和锂空气电池在近几年中得到长足的发展。但是，锂枝晶和锂金属电池循环过程中巨大的体积效应限制了其实际的应用。为了应对枝晶的风险和减缓体积效应。大量的策略，如优化电解液中的锂盐，溶剂，功能性的添加剂甚至是离子液体也被广泛的开发和研究。Malachi等人[Zhang K,Li J,Li Q,et al.Improvement on electrochemical performance by electrodeposition ofpolyaniline nanowires at the top end of sulfur electrode[J].Applied SurfaceScience,2013,285:900-906.]通过原子/分子气相沉积在金属锂表面沉积10nm左右的Al₂O₃SEI层，抑制枝晶生长，保护锂电极在这些研究的背后，科研者们取得了可喜的成绩，大量的锂枝晶被成功的抑制，但是，在高电流密度下的锂金属电池循环过程中的巨大体积效应始终还有待解决。

近年来，科研工作者发现，将金属锂负载在三维多孔集流体中可以有效缓解金属锂沉积/溶解过程中巨大的体积变化。同时，三维多孔集流体丰富的比表面积可以充分降低电极表面的电流密度，使金属锂在较低的电流密度下无枝晶的锂沉积如Yu-Guo Guo等人[S.-H.Wang,Y.-X.Yin,T.-T.Zuo,W.Dong,J.-Y.Li,J.-L.Shi,C.-H.Zhang,N.-W.Li,C.-J.Li,Y.-G.Guo,Stable Li metal anodes via regulating lithium plating/strippingin vertically aligned microchannels,Advanced Materials 29(40)(2017)1703729-1703736.]通过制备了多孔铜，实现了在电流密度为1mA/cm²的下200圈的稳定循环。但三维多孔集流体是一把双刃剑，其超高的比表面积在降低电极表面的电流密度同时，也导致了金属锂与电解液接触面积的大大增加。从而加大界面副反应的发生。因此，目前传统的负载金属锂的三维多孔金属集流体难以作为锂金属电池的阳极材料在工业上得到真正的应用。

发明内容

针对金属锂阳极普遍存在的电流密度不能充分降低、无法有效抑制锂枝晶的问题，本发明旨在提供一种二次电池用三维多孔金属锂负极。

本发明第二目的在于，提供一种所述的一种二次电池用三维多孔金属锂负极的制备方法。

本发明第三目的在于，提供一种所述的一种二次电池用三维多孔金属锂负极在制备锂金属电池中的应用。

通过所述的结构调控和材料制备，旨在获得一种无体积膨胀，优化锂金属电池的电化学性能的负极。

本发明还能提供装配所述的一种二次电池用三维多孔金属锂负极的金属锂电池。本发明所述的一种二次电池用三维多孔金属锂负极，包括多孔导电集流体、复合在多孔导电集流体表面的人造SEI膜构成的多孔导电集流体骨架，以及负载在多孔导电集流体骨架上的金属锂。