[发明专利]一种基于芳香化硝酸自由基修饰的锂金属负极制备及应用

说明书

本发明公开了一种基于芳香化硝酸自由基修饰的锂金属负极制备及应用；本发明的结构上具有芳香化硝酸自由基结构，通过将其溶解在有机溶剂中，然后滴涂在锂金属表面，芳香化硝酸自由基由于强得电子能力夺走金属锂单质的电子形成人造固态电解质膜(SEI)覆盖在锂金属的表面。本发明在锂金属表面形成的SEI膜十分均匀，显著的降低了电解液与锂金属界面间的副反应；同时SEI膜具有的高离子电导率和机械强度能有效抑制锂枝晶生长，使锂金属负极具有安全稳定的长循环性能。本发明制备方法简单，适应于规模化生产，与高容量正极材料相匹配，能达到新型高能量密度动力电池的使用要求，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂金属电池负极材料及电化学领域，尤其涉及一种基于芳香化硝酸自由基修饰的锂金属负极制备及应用。

背景技术

自锂离子电池商业化以来，经过多年的发展，现有电化学系统已逐渐接近瓶颈。

随着以长巡航电动汽车为代表的后锂离子电池时代的到来，电池的大容量已成为最重要的性能指标之一，传统的锂离子电池已难以用作高能电化学储能装置。

在许多电化学储能系统中，基于锂金属的电池由于重量轻(相对原子质量为6.941g mol^-1和密度为0.534g cm^-3)，理论比容量高(3860mAh g^-1)和较低的化学电势(-3.04V，相对于标准氢电极)，因而其具有较高的能量密度。

特别是，基于无锂正极(S，空气或O₂)和锂金属负极的组成的锂硫电池和锂空气电池具有极高的理论比容量和能量密度。但是，锂金属负极主要存在的问题就是锂枝晶生长的问题。

在循环过程中，锂离子沉积的位点会表现出更低的过电位，而后续的锂离子会逐渐沉积到这些位点上，形成锂枝晶。而这些锂枝晶伴随循环过程会持续生长，一旦锂枝晶刺破隔膜与正极直接接触会造成电池短路，从而引发安全事故。

同时锂金属循环过程中体积膨胀会引起不坚固的SEI膜破裂，这会造成锂金属与电解液产生副反应，导致锂金属与电解液的损失，降低电池的库伦效率并提高其界面阻抗。

锂枝晶生长和其低的库伦效率都严重影响了锂金属负极的商业应用。因此，构建高效，稳定，安全的锂金属负极是实现锂电池能量密度突破的关键。

正因为如此，科研人员为此做了大量工作改善这类问题。例如有学者研究团队通过将硅晶片在KOH溶液中蚀刻成26μm左右的Si膜，在将其压到锂箔上，在锂金属表面上形成一层具有高机械强度和高离子传导性的Li_xSi合金膜。表面合金化的锂金属负极在高达25mA cm^-2的电流密度和100mAh cm^-2的沉积量下可以实现无枝晶的Li沉积和剥离(Adv.Energy Mater.2020,10,1902343)。研究人员将Cu₃N纳米粒子与丁苯橡胶经共混、与金属锂反应构建了Li₃N/丁苯橡胶复合保护膜，其中Li₃N组分提供优异的离子导电性和机械强度，柔韧性良好的丁苯橡胶则有助于保持保护膜的完整性，防止应力产生的破裂，因此锂金属电池在酯类电解液中电流强度为1mA cm^-2下能循环100圈，库伦效率能稳定在97.4％(Advanced Materials,2017,29,1605531.)。

虽然上述研究在锂金属负极保护方面取得了一定成果并提供了一种全新思路。但是其制备方法繁琐，现有阶段难以大规模应用。

发明内容

本发明针对锂金属负极存在的锂枝晶生长引起的安全隐患，库伦效率低等问题，提供一种基于芳香化硝酸自由基修饰的锂金属负极制备及应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有芳香化硝酸自由基的化合物，其有效成分结构为芳香化硝酸自由基结构；