CN105789559B - 一种柔性锂金属电池负极及其制备方法 - Google Patents

一种柔性锂金属电池负极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了锂金属电池技术领域的一种柔性锂金属电池负极及其制备方法。所述柔性锂金属电池负极包括锂金属和骨架材料两相结构；其中，锂金属的含量为10‑99.9wt.％，骨架材料为导电材料或绝缘材料；所述柔性锂金属电池负极能在0‑180°内弯折，弯折过程中电化学性能的损失为0.001‑50％。将固态金属锂熔化成液态或者气化成气态，然后与骨架材料混合，形成柔性锂金属电池负极。所述的锂金属电池负极相比于锂片负极，有效提高了锂金属负极的机械性能，抑制枝晶生长，缓解在脱嵌锂过程中电极的体积膨胀；如果搭配柔性正极组装成柔性电池，将有助于实现高能量密度柔性可穿戴电子设备的商业应用。

Description

一种柔性锂金属电池负极及其制备方法
技术领域
本发明属于锂金属电池技术领域，具体涉及一种柔性锂金属电池负极及其制备方法。
背景技术
锂离子电池的成功商用，带来了便携式电子设备的快速发展。随着可穿戴电子产品的需求增加，对柔性高能量密度电池系统的需求更加迫切。在已知电极材料中，锂金属负极以3860mAh·g-1的高容量和最负的电势(-3.040V vs.标准氢电极)成为储能界的“圣杯”，受到研究人员的关注。以金属锂为负极，硫、氧气等材料为正极的电池储能系统以其较高的理论能量密度(锂硫电池：2600Wh kg-1，锂空电池：5210Wh kg-1vs.锂离子电池：500Wh kg-1)，有望成为下一代电池储能系统。
虽然锂金属负极性能优异，但是一直无法实现商业应用，原因为：(1)锂金属负极不存在骨架，在100％充放电深度的情况下体积膨胀为无限大，严重破坏了电极的稳定性；(2)在锂离子沉积过程中，很容易由于锂离子的不均匀沉积而出现树枝状的枝晶，枝晶一方面可能会刺穿隔膜造成电池短路，使电池的安全性降低，另一方面也会破坏负极表面的惰性层，增加电解液与锂金属的反应，消耗锂活性物质，降低电极的利用率。为了解决锂金属负极的枝晶问题，研究人员提出了许多解决方案。Lu Yingying等提出了利用结构化电解液来抑制枝晶生长的思路，即通过将电解液阴离子固定在纳米化二氧化硅分子上，降低其在充放电过程中在电极中的迁移，调控电解液中的电荷和电场分布，实现锂离子在电解液中的均匀分布，从而抑制枝晶生长。Heine Jennifer等提出了一种钝化锂粉的新型锂金属负极，相比于传统的锂片负极，锂粉负极可以增加电极的比表面积，减低电极表面的绝对电流密度，从而达到抑制枝晶的效果。
上述研究成果提出了许多抑制枝晶生长的思路，但是针对锂金属负极的体积膨胀问题一直没有较好的解决方法。研究人员尝试对锂金属负极进行修饰，通过加入特定含量的铝，形成锂铝合金，作为负极的骨架，既缓解充放电过程中的体积膨胀，又改善枝晶抑制效果，提高锂金属负极的充放电循环寿命。但是锂铝合金依然无法彻底解决锂金属负极的体积膨胀问题，并最终被以石墨为负极的锂离子电池所取代。随着可穿戴电子设备的需求增加，柔性高容量电极结构逐渐受到重视。因此设计一种具有较高机械性能的柔性锂金属负极不仅可以缓解锂金属负极的体积膨胀，抑制枝晶生长，也是柔性电子器件的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性锂金属电池负极及其制备方法，采取的技术方案如下：
一种柔性锂金属电池负极，所述柔性锂金属电池负极包括锂金属和骨架材料两相结构；其中，锂金属的含量为10-99.9wt.％，骨架材料为导电材料或绝缘材料；所述柔性锂金属电池负极能在0-180°内弯折。
所述的导电材料为炭黑及其氧化物、富勒烯及其氧化物、石墨烯及其氧化物、碳纳米管及其氧化物、模板碳及其氧化物、大孔碳及其氧化物、中空碳球及其氧化物、活性炭及其氧化物、泡沫碳及其氧化物、泡沫铜和泡沫镍中的一种。
所述的绝缘材料为玻璃纤维及其氧化物、聚酰亚胺及其氧化物、聚苯胺及其氧化物、聚丙烯腈及其氧化物、聚醚砜及其氧化物、聚偏氟乙烯及其氧化物、醋酸纤维素及其氧化物、聚乳酸及其氧化物、聚己内酯及其氧化物、聚三亚甲基碳酸酯及其氧化物和聚乳酸乙醇酸及其氧化物中的一种。
所述柔性锂金属电池负极的构型为零维、一维、二维或三维。
所述零维为球，一维为线，二维为面，三维为圆柱、圆锥、长方体、正方体、圆台、棱柱或棱锥。
所述柔性锂金属电池负极的工作电流为0.05μA cm-2-500mA cm-2，在20-5000圈的电池循环中无枝晶出现，在充放电过程中的体积膨胀为1.0-50％。
所述柔性锂金属电池负极在弯折过程中，电化学性能(容量、库伦效率、寿命)的损失为0.001-50％。
将固态金属锂熔化成液态或者气化成气态，然后与骨架材料混合，形成柔性锂金属电池负极。
本发明的有益效果为：所述的柔性锂金属电池负极相比于锂片负极，有效提高了锂金属负极的机械性能，抑制枝晶生长，缓解在脱嵌锂过程中电极的体积膨胀，提高了锂金属电池的安全性能和循环寿命；如果搭配柔性正极组装成柔性电池，将有助于实现高能量密度柔性可穿戴电子设备的商业应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围不限于此。实施例1
在200℃下将固态金属锂熔化，然后将碳纳米管纸放入液态锂中，形成锂金属-碳纳米管复合纸柔性电池负极(锂金属的含量为98wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池进行测试，电解液是六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯溶液，测试电流为2.0mA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为1.0％，在400圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折90°后再进行测试，电池各项指标降低在1.0％以内。
实施例2
在250℃下将固态金属锂熔化，然后将石墨烯纸放入液态锂中，形成锂金属-石墨烯复合纸柔性电池负极(锂金属的含量为85wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池进行测试，电解液是三氟甲基磺酸锂、1,3-二氧五环和1,2-二甲氧基乙烷溶液，测试电流为30mA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为17％，在1000圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折180°后再进行测试，电池各项指标降低在10.0％以内。
实施例3
在1350℃下将固态金属锂气化，然后渗透到氧化泡沫碳球中，形成锂金属-泡沫碳球形柔性电池负极(锂金属的含量为99.9wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池进行测试，电解液是三氟甲基磺酸锂、二甲氧甲烷和四氢呋喃溶液，测试电流为500mAcm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为50％，在20圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折20o后再进行测试，电池各项指标降低在50.0％以内。
实施例4
在1550℃下将固态金属锂气化，然后渗透到圆柱形氧化聚丙烯腈中，形成锂金属-氧化聚丙烯腈圆柱形柔性电池负极(锂金属的含量为10wt.％)；将将该电极与铜集流体构成半电池进行测试，电解液是三氟甲磺酸锂和乙酸甲酯溶液，测试电流为0.05μA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为1.0％，在5000圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折170°后再进行测试，电池各项指标降低在0.001％以内。
实施例5
在550℃下将固态金属锂熔化，然后将泡沫铜线放入到液态锂中，形成锂金属-泡沫铜线柔性电池负极(锂金属的含量为80wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池测试，电解液是六氟砷酸锂、碳酸乙烯酯和二甲氧甲烷溶液，测试电流为800μA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为35％，在800圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折60°后再进行测试，电池各项指标降低在8％以内。
实施例6
在700℃下将固态金属锂熔化，然后将棱柱形活性碳粉放入到液态锂中，形成锂金属-活性碳粉棱柱形柔性电池负极(锂金属的含量为57wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池测试，电解液是四氟硼酸锂、碳酸乙烯酯和1,2-二甲氧乙烷溶液，测试电流为450μA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为16％，在1600圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将柔该柔性电池负极弯折147°后再进行测试，电池各项指标降低在6.0％以内。
实施例7
在1340℃下将固态金属锂气化，然后渗透到氧化聚苯胺圆台中，形成锂金属-氧化聚苯胺圆台形柔性电池负极(锂金属的含量为85wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池进行测试，电解液是二草酸硼酸锂、碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯溶液，测试电流为380mA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为48％，在80圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折1°后再进行测试，电池各项指标降低在0.008％以内。
实施例8
在1840℃下将固态金属锂气化，然后渗透到模板碳球中，形成锂金属-模板碳球形柔性电池负极(锂金属的含量为94wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池进行测试，电解液是六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯溶液，测试电流为200mA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为3.0％，在80圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折178°后再进行测试，电池各项指标降低在0.05％以内。
实施例9
在180℃下将固态金属锂熔化，然后渗透到聚偏氟乙烯长方体中，形成锂金属-聚偏氟乙烯长方体形柔性电池负极(锂金属的含量为98wt.％)；将该柔性电池负极与铜集流体构成半电池进行测试，电解液是三氟甲基磺酸锂、1,3-二氧五环和1,2-二甲氧基乙烷，测试电流为18mA cm-2。
测试结果表明，在循环过程中，该柔性电池负极的体积膨胀为1.0％，在4600圈的循环范围内锂金属负极无枝晶出现；将该柔性电池负极弯折138°后再进行测试，电池各项指标降低在0.4％以内。

Claims (5)

1.一种柔性锂金属电池负极，其特征在于，所述柔性锂金属电池负极包括锂金属和骨架材料两相结构；其中，锂金属的含量为85-98wt.％，骨架材料为绝缘材料；
所述柔性锂金属电池负极能在60-180°内弯折；弯折后，所述柔性锂金属电池负极在弯折过程中，电化学性能的损失为0.001-8％；所述柔性锂金属电池负极在充放电过程中的体积膨胀为1.0-8％；
所述的绝缘材料为玻璃纤维、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚醚砜、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、聚乳酸、聚己内酯、聚三亚甲基碳酸酯和聚乳酸乙醇酸中的一种；
制备所述柔性锂金属电池负极时，先将固态金属锂熔化成液态，然后与骨架材料混合。
2.根据权利要求1所述的一种柔性锂金属电池负极，其特征在于，所述柔性锂金属电池负极的构型为零维、一维、二维或三维。
3.根据权利要求2所述的一种柔性锂金属电池负极，其特征在于，所述零维为球，一维为线，二维为面，三维为圆柱、圆锥、长方体、正方体、棱柱或棱锥。
4.根据权利要求1所述的一种柔性锂金属电池负极，其特征在于，所述柔性锂金属电池负极的工作电流为0.05μA cm-2-500mA cm-2。
5.根据权利要求1所述的一种柔性锂金属电池负极，其特征在于，所述柔性锂金属电池负极在20-5000圈的电池循环中无枝晶出现。
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