[发明专利]一种原位构建多功能仿生膜的金属锂负极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种原位构建多功能仿生膜的金属锂负极及其制备方法，包括以下步骤：将生物质材料进行碳化得到生物质碳，然后引入酸性活性基团得到混合碳材料；将混合碳材料与树脂薄膜加入第一溶剂中并充分混合得到第一混合液；向第一混合液中加入第二溶剂并混合均匀得到第二混合液；采用湿法纺丝将第二混合液在金属锂表面进行原位静电纺丝，得到结构均一的生物质仿生膜；在生物质仿生膜表面涂覆一层闭孔剂；固化处理。这样具有分布和大小均可控的生物质复合膜能够诱导锂离子的均匀沉积，同时降低表面电流密度抑制锂枝晶的生长，使整个电极材料的循环稳定性得到显著性提高。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种原位构建多功能仿生膜的金属锂负极及其制备方法。

背景技术

近年来，随着动力电池在能量密度和安全性上的需求量逐渐扩大，锂离子电池成为了中科研工作者以及企事业研究机构的研究热点，尤其是针对高能量密度的锂离子电池进行了大量的研究。由于金属锂负极具有极高的理论比容量(3860mAh·g^-1)和极负的电势(-3.040V vs标准氢电极)，最终确定在电池体系中采用金属锂负极材料是一个比较好的选择。为了得到高能量密度的电池包，与之匹配的正极材料主要集中于硫正极、高镍三元以及富锂锰基等高容量正极材料。但是，在整个电池体系中仍然存在着大量的问题，主要有以下几点：(一)锂离子在电化学沉积过程的不均匀，导致锂枝晶的生长，同时产生体积膨胀影响整个电池体系的安全性；(二)金属锂的高反应活性与电解液反应生成不稳定的固态电解质界面膜(SEI层)，这将导致“死锂”的产生以及电解质的不断消耗影响电池容量和循环稳定性的衰减；(三)正极材料中有部分离子以及正极中间体迁移至金属锂负极表面形成杂质，影响锂离子的脱出和嵌入，同时造成正极活性材料的损失；(四)金属锂的存储环境和电池装备环境的水氧含量要求较高，这将需要严格控制整个过程的水氧含量以保证金属锂不被氧化，限制了电池装配环境和材料的保存运输条件无形之中增加了电池的成本。

为了解决金属锂的在充放电过程中的一些列问题，科研工作者进行了大量的研究，从多方面去改性金属锂负极材料来实现一定程度的改善，其中包括：调控电解液添加剂、采用固态电解质膜、修饰集流体、金属锂表面涂覆保护膜等方法。至今为止，仍然没能找到一种方式均能克服以上问题。虽然现有的研究工作中针对金属锂负极进行了改性，使其在锂枝晶生长、体积膨胀以及“死锂”的形成方面有一定程度的改善，但仍不能满足目前高能量密度电池在安全性能和电化学循环性能上的需求。除此之外，针对于金属锂的高反应活性仍然没有较好的方式来避免其在空气中氧化。同时在电池体系中正极中间体透过隔膜进入到负极材料表面杂质，这将导致活性正极活性材料的损失以及金属锂负极表面被堵塞，目前该问题仍然没有得到较好的解决。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种原位构建多功能仿生膜的金属锂负极及其制备方法，采用原位构建多孔生物质膜的方法在金属锂带表面复合一层改性膜，这样具有分布和大小均可控的生物质复合膜能够诱导锂离子的均匀沉积，同时降低表面电流密度抑制锂枝晶的生长，使整个电极材料的循环稳定性得到显著性提高。

为了达到上述技术效果，本发明提供了如下技术方案：

一种原位构建多功能仿生膜的金属锂负极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将生物质材料进行碳化得到生物质碳，然后引入酸性活性基团得到混合碳材料；

(2)将混合碳材料与树脂薄膜加入第一溶剂中并充分混合得到第一混合液；

(3)向第一混合液中加入第二溶剂并混合均匀得到第二混合液；

(4)采用湿法纺丝将第二混合液在金属锂表面进行原位静电纺丝，得到结构均一的生物质仿生膜；

(5)在生物质仿生膜表面涂覆一层闭孔剂，得到带有多功能仿生膜的金属锂负极；

(6)固化处理，得到复合金属锂负极材料。