[发明专利]一种原位成膜保护锂金属负极的方法

说明书

一种原位成膜保护锂金属负极的方法，它要解决现有锂金属电池抑制锂枝晶生长的方法难以形成均匀的保护膜，保护效果不好的问题。原位成膜保护锂金属负极的方法：一、先制备氧化铝前驱体溶胶，氧化铝前驱体溶胶旋涂在导电基片上，在马弗炉中以630～680℃的温度保温，得到负载有过渡固态电解质膜的导电基片；二、在氩气保护条件下将抛光的金属材料置于负载有过渡固态电解质膜的导电基片上，夹固后分别给导电基片和金属材料施加负电压和正电压，进行阳极氧化处理。本发明通过阳极氧化原位膜保护的锂金属全电池的循环寿命由未保护的锂金属全电池的76圈提升到了300圈。经过该原位保护材料修饰后锂金属电极的稳定性明显提高。

技术领域

本发明涉及锂金属电极保护材料领域，具体涉及一种原位成膜保护锂金属负极的方法。

背景技术

储能材料的发展是现代科技进步的内在动力。在电动汽车、能量存储以及目前热门的机器人领域，储能技术均扮演着举足轻重的角色。电池的能量密度、体积和形态直接决定了电源系统的应用范围。例如，高能量密度的锂离子电池使手机和笔记本的超薄化成为了现实。然而传统锂离子电池使用的石墨阳极理论容量较小，只有372mAh/g，这限制了电池容量的进一步提升。锂金属阳极具有3860mAh/g的高理论容量，这使其非常适合用于锂离子电池，并且在过去的40年中被认为是锂电池系统中的理想阳极。但是，由于短路和爆炸的可能性，在锂金属上形成枝晶会带来安全问题。主要障碍阻碍了长期锂金属电池的广泛实际应用。因此，必须开发抑制树突的高效保护技术。迄今为止，已经开发了许多表面改性方法。其中，人工保护膜由于其特殊的保护作用和较高的实用价值，引起了人们的广泛关注。据报道，原位保护膜是高效的保护膜。原位生长策略产生均匀的薄膜，紧密地粘附在基材表面，而没有任何粘合剂。然而，原位膜的设计合成和保护效果仍有待进一步提高。阳极氧化膜一直被用来保护金属表面，如铝或钛。当将铝制成电解槽的阳极时，可以在铝上产生的阳极氧化膜的类型取决于几个因素，其中最重要的是电解质的性质。所形成的氧化物膜完全不溶的电解质是产生阻挡型膜的重要因素。对于锂金属，由于其部分可溶于电解质中并且剥离不均匀，因此难以形成均匀的阳极氧化膜。到目前为止，尚未报道锂金属上的阳极氧化膜的制备技术。所以，如果使用其中阳极形成的氧化膜完全不溶的固体电解质(可以传输离子的有机或无机化合物)，则可以在锂金属表面上生长稳定的阳极氧化膜。

发明内容

本发明是要解决现有锂金属电池抑制锂枝晶生长的方法难以形成均匀的保护膜，保护效果不好的问题，从而提供一种原位成膜保护锂金属负极的方法。

本发明原位成膜保护锂金属负极的方法按照以下步骤实现：

一、过渡电解质膜的制备：

a、将异丙醇铝粉末加入到乙二醇乙醚溶剂中超声分散均匀，得到混合溶液，在60～80℃下搅拌20～40分钟，然后加入乙酰丙酮络合剂，继续在60～80℃下搅拌反应，最后加入冰醋酸，在100～120℃下搅拌反应20～40分钟，冷却至室温后过滤，得到(透明清澈的)氧化铝前驱体溶胶；

b、将氧化铝前驱体溶胶旋涂在导电基片上，加热固化处理，重复旋涂溶胶、加热固化处理多次，得到氧化铝膜；

c、将氧化铝膜置于马弗炉中，以1℃/min的速率升温至630～680℃，保温后自然冷却至室温，得到负载有过渡固态电解质膜的导电基片；

二、原位膜保护的金属电极的制备：

对金属材料进行抛光，在氩气保护条件下将抛光的金属材料置于负载有过渡固态电解质膜的导电基片上，夹固后分别给导电基片和金属材料施加负电压和正电压，进行阳极氧化处理，即在金属材料表面得到原位保护膜。

本发明首先通过溶胶-凝胶法合成一种超薄改性的非晶态Al₂O₃固体电解质，并且可以在锂金属/Al₂O₃固体电解质的界面处原位形成稳定的阳极氧化保护膜。首次通过实验实现了锂金属的阳极氧化，并获得了出色的原位保护膜。