CN109686922A - 一种三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化学电源领域，也属于能源材料技术领域。具体涉及一种三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法及应用。本发明将金属锂与可以原位反应生成有利金属锂负极循环的薄膜紧密贴合，在装配过程中，通过电解液的添加原位生成保护层，保护层的厚度可以通过薄膜中反应物的量来控制。以金属锂作为负极，复合可以原位反应生成有效保护层的薄膜等结构。该复合结构可以稳定金属锂/电解质界面，一定程度上抑制锂枝晶的生长，改善金属锂的电化学性能。

Description

一种三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法及应用
技术领域
本发明属于化学电源领域，也属于能源材料技术领域。具体涉及一种三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法及应用。
背景技术
锂金属具有极高的理论比容量和极低的电化学电位，锂金属电池作为当今世界应用最广泛的和最有发展前景的电池之一，以锂金属为负极的锂空气电池和锂硫电池被认为是很有希望的下一代储能电池。然而，对于锂金属负极的实际应用，仍存在各种问题需要解决，其中最重要的是要解决电池充放电过程中金属锂表面的锂由于不均匀的沉积/溶解造成的锂枝晶的形成和生长。
目前常用的抑制锂枝晶的方法主要有：通过电解液添加剂或其他方法原位形成金属锂表面保护层、通过非原位方法制备保护层、改善集流体制备三维或其他形式的集流体，这些方法各自在一定程度上解决了锂金属负极在充放电循环过程中枝晶的生长问题，但又各自存在着一定的限制因素。最新研究进展表明，从构建锂复合负极的角度出发，可有效提高锂金属早充放电循环中的稳定性。合理的设计可以改变锂金属沉积偏好，从根本上改善锂枝晶生长的问题。然而对于绝大多数材料，其与锂金属之间的结合弱，即具有疏锂性。因此，研究一种合适的复合方法对金属锂电池负极的应用具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法及应用；本发明通过在金属锂电池装配过程中增加一层可以和金属锂原位反应的薄膜，通过原位反应生成一层有利于金属锂循环性能改善的原位保护层。具有极高的的操作可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供一种金属锂电池，包括本发明制备的表面有氟化锂金属锂、隔膜、有机电解液和正极极片。
所述电解液组成主要包括但不仅包括现市面上销售或实验室合成的各类锂离子电池电解液。
所述正极极片的材料主要包括但不限于现市场中销售和应用的各类锂离子电池或锂金属电池材料，如磷酸铁锂、硫碳材料、钛酸锂材料等。
为了实现本发明的另一个目的，本发明还提供的三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法为通过流延法或涂布法制备氟化碳复合薄膜，其制备方法为：将粘结剂、氟化碳在溶剂中混合后涂在玻璃板上，烘干后揭下。在金属锂电池制备过程中贴覆在金属锂片表面，通过电解液的加入激活复合薄膜，在金属锂表面生成一层氟化锂后直接作为金属锂负极使用。
所述粘结剂主要包括具有粘结作用的高分子化合物，如PVDF、PVDF-HFP；所述添加剂主要包括一些可以与金属锂进行原位反应的物质，如氟化碳。粘结剂与添加剂以一定比例混合，较优比例为1：9。
可以与金属锂进行原位反应的物质主要包括可以生成氟化锂的各类氟化物、可以生成磷酸锂的各类磷酸盐。
所述的金属锂主要包括但不限于市场中销售的各类金属锂箔或锂片。
本发明具备的显著技术效果：本发明将金属锂与可以原位反应生成有利金属锂负极循环的薄膜紧密贴合，在装配过程中，通过电解液的添加原位生成保护层，保护层的厚度可以通过薄膜中反应物的量来控制。以金属锂作为负极，复合可以原位反应生成有效保护层的薄膜等结构。该复合结构可以稳定金属锂/电解质界面，一定程度上抑制锂枝晶的生长，改善金属锂的电化学性能。该稳定金属锂负极制备简单易行，实用性强，制备得到的金属锂负极具有优良的循环性能，可以作为长寿命、高比能量电池进行应用，具有极大的市场潜力和前景，该方法具有极大的工业应用价值。
附图说明
图1为实施例1具备复合结构的金属锂制备的锂-锂对称电池的时间-电压曲线。
图2为实施例1具备复合结构的金属锂制备的锂-锂对称电池的比容量-电压曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。下述实施例中所述试验方法，若无特殊说明，所述试剂和材料均从商业途径获得。
实施例1。
所述三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法，具体如下：
步骤1、复合薄膜的制备。
配置PVDF-HFP的NMP溶液，PVDF-HFP与NMP比例为1：10(质量比)，混合均匀后加入20％质量(PVDF-HFP质量)的氟化碳粉末，混合均匀，用流延法成膜后冲切成直径为18mm的圆形复合薄膜。
步骤2、三明治结构金属锂对称电池组装。
在CR2016型纽扣电池壳中依次放入金属锂片、复合薄膜、隔膜、复合薄膜、金属锂片，加入适量的电解液1.2M LiPF6/EC:EMC 3:7(v:v)，压实，得到修饰后的金属锂-锂电池。
金属锂-锂对称电池的电化学测试。
在充放电设备上以恒电流0.5mA/cm2充放电，每个充放电过程持续2h，如图1所示，其电压极化低于±80mV，充放电电压平台对称，经循环600h后，电压曲线仍然稳定，表明修饰后的锂金属负极具有了稳定的界面，锂枝晶的产生被有效抑制，展现了良好的循环性能。与之相对，未经修饰的锂-锂对称电池在同样的条件下，其电压极化在±100mV左右，随着充放电的进行，电池的极化超过150mV，见图2；说明未经保护的金属锂电极与电解液持续反应，产生了高阻抗的SEI膜，当充放电时间到达400h后，电压剧烈变化，表明电池内阻增大。
实施例2。
三明治结构金属锂电池测试电流密度不同，为0.1mAh/cm2，其余与实施例1相同。电化学测试表明，实施例2能取得实施例1的技术效果。
实施例3。
三明治结构金属锂电池电解液不同，为1M LiTFSI/DOL:DME 1:1(v:v)，其余与实施例1相同。电化学测试表明，实施例3能取得实施例1的技术效果。

Claims (7)

1.一种三明治结构长寿命金属锂电池，其特征在于，包括表面有氟化锂金属锂、起修饰作用的碳层、隔膜、有机电解液和正极极片。
2.如权利要求1所述金属锂电池，其特征在于，所述电解液组成主要包括但不仅包括现市面上销售或实验室合成的各类锂离子电池电解液。
3.如权利要求1所述金属锂电池，其特征在于，所述正极极片的材料主要包括但不限于现市场中销售和应用的各类锂离子电池或锂金属电池材料，如磷酸铁锂、硫碳材料或钛酸锂材料。
4.一种三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法，其特征在于，具体为通过流延法或涂布法制备氟化碳复合薄膜，在金属锂电池制备过程中贴覆在金属锂片表面，通过电解液的加入激活复合薄膜，在金属锂表面生成一层氟化锂后直接作为金属锂负极使用。薄膜主要包括以氟化碳、粘结剂、添加剂等以一定方式制备的薄膜。
5.如权利要求4所述的三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法，其特征在于，所述粘结剂主要包括具有粘结作用的高分子化合物；所述添加剂主要包括一些具有锂离子传导作用的化合物。
6.如权利要求4所述的三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法，其特征在于，与金属锂进行原位反应的物质主要包括可以生成氟化锂的各类氟化物、可以生成磷酸锂的各类磷酸盐。
7.如权利要求4所述的三明治结构长寿命金属锂电池的制备方法，其特征在于，所述的金属锂主要包括但不限于市场中销售的各类金属锂箔或锂片。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111342142A (zh) * 2020-03-11 2020-06-26 电子科技大学 一种锂电芯结构、锂电池结构及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101877410A (zh) * 2009-04-27 2010-11-03 松下电器产业株式会社 锂一次电池及其制造方法
CN105280886A (zh) * 2015-09-16 2016-01-27 中国科学院化学研究所 金属锂负极表面原位处理方法与应用
CN108039454A (zh) * 2017-12-14 2018-05-15 上海动力储能电池系统工程技术有限公司 一种金属锂负极的制备方法、金属锂负极及锂电池
CN108736056A (zh) * 2017-04-20 2018-11-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种锂金属界面保护结构及其制备和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101877410A (zh) * 2009-04-27 2010-11-03 松下电器产业株式会社 锂一次电池及其制造方法
CN105280886A (zh) * 2015-09-16 2016-01-27 中国科学院化学研究所 金属锂负极表面原位处理方法与应用
CN108736056A (zh) * 2017-04-20 2018-11-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种锂金属界面保护结构及其制备和应用
CN108039454A (zh) * 2017-12-14 2018-05-15 上海动力储能电池系统工程技术有限公司 一种金属锂负极的制备方法、金属锂负极及锂电池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111342142A (zh) * 2020-03-11 2020-06-26 电子科技大学 一种锂电芯结构、锂电池结构及其制备方法

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