[发明专利]一种复合锂金属负极、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种复合锂金属负极、制备方法及应用。该复合锂金属负极内部有锂离子传导率不同的材料和导电材料，其中锂离子传导率低的材料作为锂离子绝缘层，用于阻止充电时锂离子向正极方向的电化学沉淀，抑制负极体积膨胀，防止电池短路，锂离子传导率高的材料具有高熵弹性，作为锂离子传输通道，在熵弹性的作用下可以与电子传输通道稳定的接触，实现锂离子均匀的电化学沉淀，抑制锂枝晶的生长，同时可以引导锂离子在复合锂金属负极内部的电化学沉淀方向，提高复合锂金属负极的电化学动力学性能，导电材料用作电子传输通道，为复合锂金属负极内部的电化学反应提供电子；该结构可以提高锂金属电池的循环寿命和安全性。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种复合锂金属负极、制备方法及应用。

背景技术

石墨的理论比容量仅有372 mA h g^-1,这限制了目前以石墨为负极的锂离子电池的能量密度，锂金属的理论比容量可达 3860 mA h g^-1,是石墨的理论比容量的10倍多，作为负极材料，一旦商业化，能大幅提高电池的能量密度，但锂金属作为负极材料既是电子传输通道又是活性物质，在充电过程中，锂离子可以在固态电解质界面膜（SEI膜，锂离子传输通道）和锂金属界面处从锂金属获得电子变成锂原子，电化学沉淀到锂金属表面。由于锂金属和SEI膜接触不稳定以及SEI膜本身成分分布不均匀，所以锂原子在锂金属表面的电化学行为不可控，容易形成锂枝晶，它会刺破SEI膜，导致循环寿命下降，随着枝晶的生长，甚至会刺破隔膜，导致短路，发生安全问题。

发明内容

为解决锂金属负极存在的由锂枝晶引起的库伦效率低和安全问题，本发明提出了一种复合锂金属负极、制备方法及应用。

第一方面，本申请提供了一种复合锂金属负极，该复合锂金属负极由锂离子绝缘层、电子传输通道和锂离子传输通道组成，其中锂离子绝缘层由锂离子传导率低的无机物或有机物组成，锂离子传输通道由具有高锂离子传导率和高熵弹性的聚合物或具有高熵弹性的聚合物和具有高锂离子传导率的无机陶瓷的混合物组成，电子传输通道由金属微米孔阵列的骨架组成。锂离子绝缘层覆盖在金属微米孔阵列的表面，锂离子传输通道具有高熵弹性，可以将金属微米孔进行填充，使锂离子传输通道与电子传输通道保持良好接触；

具体的，本发明提升锂金属负极的电化学性能的原理如下：通过在锂金属负极内部构建锂离子传导率不同的通道，控制锂离子的电化学行为，充电时，锂离子通过锂离子传输通道到达锂离子传输通道/电子传输通道界面，在界面处与电子结合形成锂原子，吸附在金属微米孔壁表面，随着电化学反应的进行，新形成的锂金属层将锂离子传输通道进行压缩，体积变小，熵弹性增加，锂离子传输通道具有高熵弹性，使得锂离子传输通道与电子传输通道始终保持良好的接触，从而诱导锂离子均匀的电化学沉淀，抑制锂枝晶生长，放电时，锂金属层表面的锂原子从晶格表面逃逸进入到锂离子传输通道中，锂金属层体积变小，锂离子传输通道体积变大，熵弹性减少，熵弹性使锂离子传输通道与电子传输通道始终保持良好的接触，从而使电化学过程具有良好的动力学性能，锂离子绝缘层在金属微米孔阵列表面，阻碍了锂离子在阵列表面发生电化学沉淀，阻止锂离子向正极方向电化学沉淀，可以抑制负极体积膨胀，从而避免了短路现象的发生；

第二方面，本申请提供了一种复合锂金属负极的制备方法，包括如下步骤：

（1）将高结晶度的聚合物加入到有机溶剂中,在常温下磁力搅拌若干小时，使高结晶度的聚合物充分溶入有机溶剂中，得到含有高结晶度的聚合物的有机溶剂；

（2）在水含量≤0.01ppm，氧含量≤0.01ppm的条件下，将步骤（1）得到的含有高结晶度的聚合物的有机溶剂均匀的涂抹到金属片表面，然后将其在真空干燥箱中，在一定温度下干燥36个小时，随着有机溶剂的挥发，得到覆盖有高结晶度的聚合物的金属片；

（3）利用激光器，在一定的波长下，将步骤（2）得到的覆盖有高结晶度的聚合物的金属片进行打孔，形成聚合物-金属片复合微米孔阵列，其中金属片微米孔阵列的骨架作为电子传输通道，高结晶度的聚合物作为锂离子绝缘层；