[发明专利]一种高性能亲锂性人工界面层、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种高性能亲锂性人工界面层、制备方法及其应用，涉及锂金属电池电极材料技术领域，所述制备方法为将商用低成本的金属基底箔材M浸入到溶液P中，在基底材料M表面原位生长，形成一层功能保护层N；然后，通过辊压的方式，将包覆有功能保护层的基底材料N‑M辊压在锂金属片Li表面；最后，将金属基底材料M剥离，得到功能保护层N包覆的锂金属片N‑Li，制备得到的人工界面保护层可有效提升锂金属电池的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂金属电池电极材料技术领域，特别是涉及一种高性能亲锂性人工界面层、制备方法及其应用。

背景技术

随着国家对未来动力电池单体能量密度的要求越来越高，传统的锂离子电池系统已经很难满足社会发展的需求，而誉为“圣杯”电极的锂金属负极因其极高的理论比容量(3860mAh g^-1)和最低的工作电势(-3.04V vs H⁺/H₂)，被认为是实现下一代高能量密度锂电池的最佳候选材料。然而，目前锂金属负极在实际应用方面存在几个明显的缺陷问题：(1)负极金属锂在电化学沉积过程热力学上倾向生成锂枝晶，同时锂金属表面的电场不均分布，加剧了锂离子的非均匀沉积和锂枝晶的无序生长；(2)大量生长的锂枝晶，容易刺穿高分子隔膜，造成电池内部短路和带来安全问题；(3)锂枝晶的不均匀溶解，产生大量脱离负极的“死锂”，使金属锂负极粉化而带来能量密度的损失；(4)金属锂负极的以上问题带来的巨大体积变化，使得SEI膜无法稳定覆盖其表面，导致SEI膜持续形成、电解液被不断消耗殆尽，其电池的库伦效率和循环寿命降低。

为进一步解决当前锂金属负极存在的众多问题，国内外研究不断致力于电解液修饰、构造三维集流体和制备固态电解质等改性策略，但这些方法受制于原理不明、操作繁琐甚至需要以牺牲能量密度为代价等问题而难以有效利用。在当前研究领域，在金属锂的表面构建一层人工界面保护层被认为是抑制锂枝晶最有效的方法之一，但当前许多研究中所提出的构建人工界面保护层的方法繁琐多变且性能不佳。

专利202110066476.5公开了一种三维亲锂性金属泡沫骨架的银包覆方法及其在锂金属负极中的应用的制备方法，将商用的金属泡沫经超声脱脂洗涤后，浸入到一定溶度的硝酸银溶液中置换反应，经洗涤干燥后得到银包覆的金属泡沫骨架(Ag@M foam)，然后，将熔融的液态锂金属灌注到金属泡沫骨架中，得到新型的银包覆金属泡沫/锂金属复合材料(Ag@M foam/Li)，制备得到的银包覆三维亲锂性锂金属负极，虽然可以提升锂金属电池的库伦效率和循环稳定性，但是，由于三维金属泡沫骨架基底材料本身的体积和重量，在一定程度上损失了锂金属负极的能量密度(包括体积能量密度和质量能量密度)，这对构建高能量密度锂电池的理念有一定的背离。

因此，如何提供一种采用工艺简单且易操作的方法，制备出具有功能性的人工界面保护层的锂金属负极，用于锂二次电池中提升锂金属电池循环稳定性能，是本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉、工艺简单且易规模化生产的方法，在商用低成本的金属基底箔材表面通过化学置换或原位反应在其表面生长一层亲锂性良好的物质结构层，通过辊压的方式制备得到一种既能保护锂金属表面不被电解液腐蚀，又能诱导锂金属均匀沉积的锂负极复合材料，并用于锂金属电池，可有效提升锂金属电池的库伦效率、循环稳定性等性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种高性能亲锂性人工界面层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属基底箔材(M)剪成金属锂片尺寸的大小，然后放入有机溶剂中进行超声脱脂洗涤，再用去离子水和无水乙醇清洗，干燥；

(2)将干燥后得到的金属基底箔材浸入到0.001～0.1mol/L的溶液P中，利用化学置换或原位生长原理，经反应生长一定的时间后取出，用去离子水和无水乙醇清洗；

(3)将步骤(2)的金属基底箔材干燥，得到干燥后的表面生长有功能保护层的金属基底箔材(N-M)；