[发明专利]一种人工固相电解质界面膜修饰的锂电池负极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种人工固相电解质界面膜修饰的锂电池负极及其制备方法和应用。本发明是通过表面接枝方法在纤维素上接枝特定功能化高分子，以纤维素作为主链，接枝高分子作为支链，形成具有三维网络结构的分子刷。将分子刷制成溶液后附载在锂金属片上形成人工固相电解质界面膜修饰的锂金属负极。一方面分子刷含有固定在支链结构上的导锂离子基团，可以促进锂离子在分子刷内部的迁移；另一方面分子刷支链上含有大量阴离子基团，可以有效控制锂电池电极表面的枝晶生长，延长电池使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种基于纤维素接枝聚对苯乙烯磺酸锂超结构分子刷的人工固相电解质界面膜的制备方法，该膜能够应用于高性能锂电池中。本发明涉及高性能人工固相电解质界面膜的制备技术和锂电池负极保护领域。

背景技术

锂金属电池以锂金属作为电池负极，具有远高于锂离子电池的理论容量，被普遍认为是下一代高能量密度储能电池的发展方向。然而，难以避免的“枝晶问题”给锂金属电池的应用带来了极大的挑战，一旦“枝晶”刺穿隔膜，将有可能导致锂金属电池短路，从而，引发安全问题。

在电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固-液相界面上发生反应，形成一层覆盖在电极材料表面的钝化层，这层膜被称为“固相电解质界面膜”，简称SEI膜。但是，原生的人工固相电解质界面膜难以控制其形貌、结构的均一性，不利于锂离子在负极的均匀沉积。所谓人工固相电解质界面膜是在原生人工固相电解质界面膜生成前，在负极与电解质之间添加中间层，既可以直接在电极-电解液界面实现锂离子沉积诱导，又可以调控、抑制枝晶生长。然而，界面膜的特性决定了电池负极和电解质界面稳定的动力学，添加人工固相电解质界面膜对膜本身的结构均一性、传导锂离子的高效性、化学结构的稳定性以及良好的界面相容性都有严苛的要求与挑战。单一的高分子往往难以同时满足所有的需求，而功能化高分子可以通过连接多种基团，实现集多种功能于一身的特点，可以很好地满足人工固相电解质界面膜的需求。

因此，设计合成多功能化的高分子材料，使其兼具结构均一、强机械强度和稳定电化学性能等特点，并作为人工固相电解质界面膜应用到锂金属电池中，具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种基于纤维素接枝功能高分子分子刷的人工固相电解质界面膜的制备方法及其在锂电池中的应用。本发明提供了电子转移活化再生催化剂-原子转移自由基聚合(ARGET-ATRP)法，

是在纤维素链段上通过表面接枝技术接枝功能高分子，再通过“滴涂成膜”法在锂金属负极表面上制得人工固相电解质界面膜，用于锂电池中。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种人工固相电解质界面膜修饰的锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纤维素改性接上溴基，得到含有溴官能团的纤维素；

(2)将步骤(1)中制备得到的含溴官能团的纤维素与高分子单体、配体、催化剂、溶剂混合均匀，在惰性气体保护下反应20-40min，再加入还原剂，通入惰性气体(氮气)除氧(20-40min)，在20-30℃下预反应1±0.5h，然后在50-90℃下反应6-72h；

(3)把步骤(2)的反应产物置于透析袋，浸泡在LiCl溶液中搅拌6-24h后将透析产物离心，用LiCl溶液洗涤离心产物数次，得到聚合物分子刷；

(4)将步骤(3)中制备得到的聚合物分子刷(用研钵研磨成粉末状)分散在溶剂中，随后附载在锂金属片上形成人工固相电解质界面膜修饰的锂金属负极。

优选地，步骤(3)中所述的高分子单体包括丙烯酰胺、聚乙二醇甲基丙烯酸酯、对苯乙烯磺酸钠中的一种或几种；所述的配体包括N,N,N',N”,N”-五甲基二亚乙基三胺、三(2-二甲氨基乙基)胺中的一种或两种；所述的催化剂为溴化铜、溴化亚铜中的一种或两种；所述还原剂为抗坏血酸。