[发明专利]一种锂金属电池立方孔碳涂层隔膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂金属电池立方孔碳涂层隔膜及其制备方法，属于电池材料技术领域。本发明提供的锂金属电池涂层隔膜的涂覆材料具有纳米薄片结构并带有立方孔，所述立方孔由碳壁围成；所述立方孔大小均匀，边长为20～28nm，紧密堆叠排列。所述涂覆材料是由含碳有机物通过碳化后去除模板得到的。本发明的涂覆材料电解液润湿性好，提高了电解液的利用效率；能降低界面阻抗，提高了锂金属电池的倍率能力。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及的是一种锂金属电池立方孔碳涂层隔膜及其制备方法。

背景技术

移动电子设备和电动汽车快速发展，迫切需要更高能量密度的锂二次电池储能供电。然而，目前市面上仍广泛使用锂离子电池，负极采用石墨等插层化合物存储锂离子，理论容量难以满足应用需要。锂金属负极具有最高的理论比容量(3860mAh/g)和最低的电化学电势(-3.04V vs.标准氢电极)，是负极材料的理想选择。但是锂金属具有超高的反应活性，在充放电反应过程中不均匀的沉积会造成无限的体积膨胀，导致表面SEI膜破裂，生成锂枝晶，后续循环中生成“死锂”，降低锂金属的利用率；不断破裂的SEI膜导致锂金属与电解质持续反应，既消耗了电解质、造成了负极活性物质的不可逆损失，生成的厚SEI膜也提高了界面电阻。

目前研究表明，锂金属负极的枝晶及粉化问题是影响锂金属电池实用化的重要原因之一。常用的改性策略是构建原位SEI膜和人工SEI膜。原位SEI膜改性是通过调控电解质组分如电解质添加剂、共溶剂、锂盐种类和浓度，在负极表面原位生成增强的SEI膜，稳定负极与电解液间的界面，引导锂离子的均匀沉积。但是这种方法得到的SEI膜组分和形态不易控制，而且有效组分会在电池循环过程中不断消耗，最终丧失保护作用。人工SEI膜的组分和作用与原位生成的SEI膜类似，可以在装配电池前通过锂金属的化学反应预先生成，也可以制备好后直接涂覆在锂金属表面，但是人工SEI膜往往较厚，会增加界面阻抗，工程化放大也比较困难。

通过隔膜改性保护锂金属负极更加简单、方法多样，相比锂金属严苛的反应环境更加容易操作且更加安全。然而，隔膜改性在锂金属负极保护中的应用还有待进一步研究和报道。

发明内容

本发明提供了一种锂金属电池立方孔碳涂层隔膜及其制备方法，本发明的涂层隔膜的涂覆材料具有立方孔，通过结构规范锂金属的沉积行为；该涂覆材料电解液润湿性好，提高了电解液的利用效率；能降低界面阻抗，提高了锂金属电池的倍率能力。

本发明首先提供了一种锂金属电池涂层隔膜的涂覆材料，所述涂覆材料具有纳米薄片结构并带有立方孔，所述立方孔由碳壁围成；所述立方孔大小均匀，边长为20～28nm，紧密堆叠排列。

上述的涂覆材料，所述涂覆材料是由含碳有机物通过碳化后去除模板得到的；

所述的涂覆材料是通过控制模板与含碳有机物的摩尔比控制立方孔的密度，通过控制含碳有机物与硫酸钠的摩尔比控制纳米薄片的厚度和大小。

具体的，所述含碳有机物为葡萄糖酸钠、醋酸钠和油酸钠中的至少一种。

本发明还提供了所述涂覆材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将无机盐模板和所述含碳有机物混合，得到模板和前驱体的混合物；

(2)在步骤(1)得到的所述混合物中加入硫酸钠，得到预碳化材料；

(3)将所述预碳化材料在惰性气氛中加热，得到内部带有无机盐模板的立方孔碳材料；

(4)将所述内部带有无机盐模板的立方孔碳材料去除无机盐模板，得到纯净的立方孔碳材料；

(5)将步骤(4)中制得的纯净的立方孔碳材料在惰性气氛中加热，得到立方孔碳，即为所述涂覆材料。

上述的制备方法中，步骤(1)中，所述无机盐模板为氯化铁、氯化锰和氯化锌中的至少两种。