[发明专利]一种锂金属电池负极材料的锂枝晶抑制装置、系统及方法

说明书

本发明提供一种锂金属电池负极材料的锂枝晶抑制装置、系统及方法，依据增加材料的亲锂性可以降低金属锂的成核与扩散势垒，扩大的层间距可提供锂在材料内部扩散通道，从而加快锂输运动力学抑制负极锂枝晶生长的理论基础，采用高能介质使碳原子层活化膨胀，增大的层间距可提供碳原子层内空间作为锂的体相扩散通道，可以加速电极界面的电化学动力学。高能介质处理后的锂金属电池负极材料表面与内部均具有稳定分散金属锂、调节锂扩散的功能，可以抑制锂枝晶的产生，提高锂金属电池负极的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及新能源电池材料设计领域，更具体的，涉及一种锂金属电池负极材料的锂枝晶抑制装置、系统及方法。

背景技术

使用锂金属作为负极的储能系统被认为是商用锂离子电池的替代品，由于锂金属的高比容量(3860mA h g-1)，低氧化还原电位(-3.040V vs.标准氢电极)的特点，锂金属二次电池体系的能量密度最为可观，成为下一代高能量密度电池的有效解决方案。尽管锂金属电池有着极好的应用前景，但是金属锂在阳极的沉积不均匀，导致其在充电过程中形成不规整的锂枝晶而刺穿固体电解质界面(SEI)膜造成电池短路，引发一系列安全问题。此外，锂枝晶的生长使得金属锂比表面积不断增加，增加了和电解液发生副反应的选择性，从而不可逆地消耗电解液并形成无电子活性的死锂影响正常的电化学行为，使得电池的容量在日常使用过程中持续下降。这些缺点会降低锂金属二次电池的稳定性、循环寿命和安全性。因此，目前急需解决金属锂的界面稳定性的问题。

由于锂在负极中的表面扩散比体扩散快得多，调谐锂在负极表面的扩散/沉积被认为是促使锂均匀沉积的主流方法。常用的方法是在电解液中加入添加剂，或者是在负极表面进行修饰。Qiang Zhang团队(Adv.Funct.Mater.2017,27,1605989)在碳酸酯类电解液中加入氟代乙烯碳酸脂诱导形成致密稳定的SEI层，有利于获得均匀的Li沉积形态。Yi Cui团队(Nano Lett.2015,15,5,2910–2916)将三维(3D)氧化聚丙烯腈纳米纤维网络放置在集流体的顶部，含有极性表面官能团的聚合物纤维可以引导锂金属在表面均匀的沉积。专利CN202011629545.0在负极进行多级功能修饰，使用亲锂金属层以及制备人工锂离子扩散层来抑制锂枝晶的产生。这些结果表明对负极表面或者电解液进行修饰可以改善其性能，可是这些方法往往具有工艺复杂、修饰层厚度不均匀、难以利用材料体相扩散途径以及循环过程中形成的SEI不够稳定等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂金属电池负极材料的锂枝晶抑制装置、系统及方法，对锂金属电池负极材料(碳布)进行等离子体处理，可以在负极材料表面以及内部进行元素掺杂与结构缺陷化，改善碳布与锂之间的亲和性。

为了解决上述问题中的至少一个，本发明第一方面提供一种锂金属电池负极材料的锂枝晶抑制装置，包括：

壳体，所述壳体内可置入锂金属电池负极元件；以及

高能介质形成组件，可在所述壳体内形成高能介质，使所述锂金属电池负极元件的负极材料原子处于活化膨胀状态，进而形成锂金属的体相扩散通道，以抑制所述锂枝晶。

进一步地，所述高能介质形成组件包括：气体管路、高频交流电源以及加热冷却板；

所述气体管路包括一个气体入口以及两个出口，其中一个出口连接一真空泵，另一个出口连接一排气阀，所述气体入口连接一气瓶；

所述高频交流电源与所述气体管路气体入口端以及所述高能介质形成组件内壁耦接，其中所述高能介质形成组件内壁耦接一接地导线；

所述等离子体组件的两端分别设有一加热冷却板，所述加热冷却板耦接一温控系统。

进一步地，所述锂枝晶抑制装置还包括：

支撑组件，所述支撑组件以及所述高能介质形成组件以所述气体管路为轴同轴设置，其中所述锂金属电池负极元件可置于所述支撑组件上。