[发明专利]一种减缓锂盐消耗的复合金属锂负极及其制备方法

说明书

本发明公开了属于二次电池技术领域的一种减缓锂盐消耗的复合金属锂负极及其制备方法。所述复合金属锂负极包括金属锂和骨架材料，骨架材料的孔结构内填充凝胶电解质，凝胶电解质为固定有锂盐的凝胶聚合物；随着电池循环反应的进行，凝胶聚合物能控制锂盐从中逐渐释放出来，补充电解液中锂盐的消耗。本发明提供的具有固定锂盐的凝胶电解质的复合金属锂负极，在进行金属锂循环的时候，通过凝胶聚合物，将固定其中的锂盐释放出来，弥补了现有技术中金属锂的沉积以及锂盐与金属锂反应消耗的大量锂离子电解质。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，特别涉及一种减缓锂盐消耗的复合金属锂负极及其制备方法。

背景技术

由于电动汽车和便携式电子设备的发展，当代社会对于高能量密度电池的需求越来越高。自从上个世纪九十年代以来，基于石墨负极的锂离子电池系统已经取得了巨大成功，但经过几十年的发展，锂离子电池的现有能量密度已经接近于其理论能量密度，相对较低的理论能量密度限制了其作为下一代便携式电源的进一步应用。相对于石墨负极，金属锂具有极高的比容量(3860mAh g^-1)和极低的还原电位(相对于标准氢电极为-3.040V)，一直获得了人们极大地关注。然而不受控制的枝晶状、粉末状锂的产生以及在沉积脱除过程中锂负极产生的较大体积膨胀，对金属锂负极的实际应用起到了严重的阻碍作用。这些金属锂负极固有的缺点显著降低了电池的循环寿命，甚至导致灾难性的安全问题。

目前，已经有很多策略来解决金属锂负极中的这些问题，如通过在电解液中加入添加剂或引入“高盐电解质”来延长金属锂电池的寿命。然而，金属锂在每次沉积脱除的过程中都会造成锂盐的损失，锂盐是传递离子的重要媒介，因此采取一系列的措施减缓锂盐的消耗至关重要。

同时，实用化电池的操作及测试要求在较高的电流密度和较大的循环容量下进行，无骨架的金属锂负极体积变化十分明显，很多策略难以达到预期的效果。三维(3D)骨架由于其独特的表面化学特性和互联通结构，可以很好的通过限制金属锂的沉积位置限制金属锂负极的体积膨胀抑制枝晶的生长。因此，具有3D骨架的复合金属锂负极被认为是解决金属锂体积变化和锂枝晶问题的有效途径。

综上所述，开发一种吸纳三维骨架优点的同时，兼具减缓锂盐消耗的锂电池负极非常重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种减少锂盐消耗的复合金属锂负极，包括金属锂和骨架材料，所述骨架材料的孔结构内填充凝胶电解质，凝胶电解质为固定有锂盐的凝胶聚合物；随着电池循环反应的进行，凝胶聚合物能控制锂盐从中逐渐释放出来，补充电解液中锂离子的消耗。

所述凝胶电解质充满或不充满骨架材料的孔结构。

所述骨架材料包括铜网、泡沫铜、镍网、泡沫镍、碳纤维、二氧化硅纤维、静电纺丝有机高分子纤维、有机高分子材料碳化后的碳骨架中的一种或多种。

所述有机高分子材料为蔗糖、棉花、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚酰胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂、环氧树脂或聚氨酯中的一种或多种。

所述凝胶聚合物包括聚乙二醇、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚环氧丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯或聚氨酯中的一种或多种。

所述锂盐包括高氯酸锂LiClO₄、四氟硼酸锂LiBF₄、六氟砷酸锂LiAsF₆、六氟磷酸锂LiPF₆、双草酸硼酸锂LiBOB、二氟草酸硼酸锂LiDFOB、双二氟磺酰亚胺锂LiFSI或双三氟甲基磺酰亚胺锂LiTFSI中的一种或多种。

所述金属锂采用厚度5-1000μm的锂带或锂片。

所述复合金属锂负极的制备方法，包括以下步骤：