CN112750986B - 一种具有高离子电导率人工sei膜的金属锂负极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极及其制备方法，包括：1)纳米UiO‑66的合成：将ZrCl4、对苯二甲酸、苯甲酸溶于N,N‑二甲基甲酰胺溶液中，水热制备；2)纳米UiO‑66‑ClO4的合成：将UiO‑66分散在HClO4的N,N‑二甲基甲酰胺溶液中浸泡，丙酮清洗；3)Li‑Nafion的合成：LiOH·H2O溶于Nafion溶液中锂化，干燥；4)将纳米UiO‑66‑ClO4和Li‑Nafion以(1～4):1质量比分散在溶剂中，制得分散液；5)保护气氛下将分散液涂覆锂负极表面，即得。根据本发明，提供了一种机械强度高、锂离子电导率高、保证锂金属电池安全的人工SEI膜。

Description

一种具有高离子电导率人工SEI膜的金属锂负极及其制备 方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，更具体地涉及一种具有高离子电导率人工SEI膜的金属锂负极及其制备方法。
背景技术
随着便携式电子设备、电动汽车和智能电网的日益普及，人们迫切需要使用寿命更长、能量密度更高的先进储能电池。金属锂由于其高理论容量(3860mAh g-1)和最低电化学电位(相对于标准氢电极为-3.04V)，被认为是下一代电池技术最理想的候选材料之一。不幸的是，高活性的锂金属可以与任何有机电解质反应，导致形成易碎且不均匀的固体电解质界面(SEI)膜。锂金属表面的非均匀SEI成分会引起锂离子通量不均匀，导致锂的沉积/剥离行为不均匀，从而形成严重的锂枝晶。此外，锂金属在循环过程中发生体积膨胀会导致电极发生粉化，因此限制了锂金属负极的实际应用。
为了应对这些挑战，人们提出了各种策略，例如使用不同的溶剂，优化锂盐浓度，添加多种功能剂和设计电解质纳米结构，在锂金属负极表面构建稳定的SEI膜。这些原位形成的SEI膜的改性方法可以使锂沉积均匀，并在初始循环过程中抑制锂枝晶的生长。然而，这些原位形成的SEI膜的力学性能不足以承受锂金属循环过程中巨大的体积膨胀和严重的枝晶生长，从而导致锂金属负极的循环寿命不长。相比之下，在锂金属表面构筑非原位的人工SEI膜(包括无机陶瓷，有机聚合物以及他们的复合物)，由于这些人工SEI膜的结构特性易于调节，在实现无枝晶锂金属负极方面备受人们的关注。无机陶瓷层具有较高的机械强度和良好的离子导电性，可以抑制锂枝晶的生长，但其易碎性通常会导致在锂沉积/剥离过程中产生裂纹。另一方面，有机聚合物膜很难同时具备高离子导电性和良好的机械强度，这是因为高强度聚合物薄膜总是要求较高的结晶度，这限制了聚合物链的摆动。因此，如何在锂金属负极表面制备出既具有高离子导电性又具有高机械强度的SEI膜，可以缓冲锂金属体积膨胀同时可以保证锂离子在反复循环过程中的快速均匀传输，从而实现高稳定的锂金属负极用于先进锂金属电池，这仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高离子电导率人工SEI膜的金属锂负极及其制备方法，从而解决现有技术中锂金属负极稳定性差，而无法应用于先进锂金属电池的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：1)纳米UiO-66的合成：将ZrCl4、对苯二甲酸、苯甲酸溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，水热制备得到纳米UiO-66；2)纳米UiO-66-ClO4的合成：将纳米UiO-66分散在HClO4的N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡，之后用丙酮溶液洗掉孔道中的N,N-二甲基甲酰胺；3)Li-Nafion的合成：LiOH·H2O溶于Nafion溶液中进行锂化，干燥得到Li-Nafion；4)将纳米UiO-66-ClO4和Li-Nafion以(1～4):1的质量比分散在溶剂中，制备得到分散液；以及5)将分散液在保护气氛下涂覆在锂负极表面，制备得到具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
优选地，步骤1)中的水热反应条件为80～160℃下保温12～48h。
优选地，步骤2)中HClO4和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.02～0.1):1。
优选地，步骤2)中的浸泡条件为80～120℃下保温6～48h。
优选地，步骤4)中的固液比为(5～20):1。应当理解的是，该固液比为固体纳米UiO-66-ClO4和Li-Nafion与液体溶剂的质量体积比。
优选地，步骤4)中所述溶剂为碳酸丙烯酯、或碳酸二乙酯、或碳酸乙烯酯。
优选地，步骤5)中所述保护气氛为氩气气氛，其中O2＜0.1ppm，H2O＜0.1ppm。
优选地，步骤5)中的涂覆厚度为5～12μm。
根据本发明的第二方面，提供一种根据上述制备方法制备的具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
根据本发明提供的方法，UiO-66-ClO4和Li-Nafion的质量比优选为(1～4):1，超过该质量比，人工SEI膜起不到保护锂金属负极的作用，性能较差。
根据本发明提供的一种具有高离子电导率人工SEI膜的金属锂负极及其制备方法，一方面，由于UiO-66-ClO4的高电负性和亲锂性，电解液中的阴离子得到阻挡，提高了人工SEI膜的单离子电导率，从而实现锂的均匀沉积，同时抑制锂金属与电解液的副反应；另一方面，在柔性Li-Nafion粘结剂的辅助下，人工SEI膜拥有优异的高机械强度，能够承受较大的体积膨胀，从而保持锂金属负极在循环过程中的整体稳定性。
根据本发明的一个优选实施例制备的人工SEI膜，其弹性模量为12.8GPa，远高于抑制锂枝晶的阈值6GPa，其离子电导率可达0.398mS cm-1。因此，该人工SEI膜具有优异的机械强度和高离子电导率，解决了锂负极的安全性和界面稳定性问题，可推动锂金属电池的产业化。
综上所述，本发明制备了一种机械强度高、锂离子电导率高、抑制锂枝晶产生、保证锂金属电池安全的人工SEI膜。
附图说明
图1是实施例1制备得到的Li+SEI电极的SEM图像；
图2是实施例1制备得到的Li+SEI电极力与深度的关系曲线图；
图3是实施例1制备得到的Li+SEI电极极化后电流与时间的关系曲线图和极化前后的EIS图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1
一种具有高离子电导率人工SEI的锂金属负极的制备方法，包括以下制备步骤：
纳米UiO-66的合成：将233mg ZrCl4，166mg对苯二甲酸和1.22g苯甲酸溶于72mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中并在室温下超声10min。然后，在120℃下保持24h，冷却至室温后，离心制备得到UiO-66；
纳米UiO-66-ClO4的合成：将UiO-66分散在含有3mL HClO4的60mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中在100℃下浸泡12h，之后用丙酮溶液洗掉孔道中的N,N-二甲基甲酰胺；
Li-Nafion的合成：25.2mg LiOH·H2O溶于10mL 5％Nafion溶液中，在100℃搅拌6h进行锂化，在80℃下真空干燥得到Li-Nafion；
将35mg纳米UiO-66-ClO4和15mg Li-Nafion分散在5mL碳酸丙烯酯中，超声60min，制备得到分散液；
将分散液在氩气气氛(O2＜0.1ppm，H2O＜0.1ppm)下涂覆在锂负极表面，在80℃干燥12h，制备得到具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
实施例2
一种具有高离子电导率人工SEI的锂金属负极的制备方法，包括以下制备步骤：
纳米UiO-66的合成：将233mg ZrCl4，166mg对苯二甲酸和1.22g苯甲酸溶于72mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中并在室温下超声10min。然后，在160℃下保持12h，冷却至室温后，离心制备得到UiO-66；
纳米UiO-66-ClO4的合成：将UiO-66分散在含有1.2mL HClO4的60mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中在120℃下浸泡48h，之后用丙酮溶液洗掉孔道中的N,N-二甲基甲酰胺；
Li-Nafion的合成：25.2mg LiOH·H2O溶于10mL 5％Nafion溶液中，在120℃搅拌2h进行锂化，在80℃下真空干燥得到Li-Nafion；
将40mg纳米UiO-66-ClO4和10mg Li-Nafion分散在2.5mL碳酸丙烯酯中，超声60min，制备得到分散液；
将分散液在氩气气氛(O2＜0.1ppm，H2O＜0.1ppm)下涂覆在锂负极表面，在80℃干燥12h，制备得到具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
实施例3
一种具有高离子电导率人工SEI的锂金属负极的制备方法，包括以下制备步骤：
纳米UiO-66的合成：将233mg ZrCl4，166mg对苯二甲酸和1.22g苯甲酸溶于72mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中并在室温下超声10min。然后，在80℃下保持48h，冷却至室温后，离心制备得到UiO-66；
纳米UiO-66-ClO4的合成：将UiO-66分散在含有6mL HClO4的60mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中在80℃下浸泡48h，之后用丙酮溶液洗掉孔道中的N,N-二甲基甲酰胺；
Li-Nafion的合成：25.2mg LiOH·H2O溶于10mL 5％Nafion溶液中，在80℃搅拌12h进行锂化，在80℃下真空干燥得到Li-Nafion；
将25mg纳米UiO-66-ClO4和25mg Li-Nafion分散在10mL碳酸丙烯酯中，超声60min，制备得到分散液；
将分散液在氩气气氛(O2＜0.1ppm，H2O＜0.1ppm)下涂覆在锂负极表面，在80℃干燥12h，制备得到具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
实施例4
一种具有高离子电导率人工SEI的锂金属负极的制备方法，包括以下制备步骤：
纳米UiO-66的合成：将233mg ZrCl4，166mg对苯二甲酸和1.22g苯甲酸溶于72mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中并在室温下超声10min。然后，在120℃下保持12h，冷却至室温后，离心制备得到UiO-66；
纳米UiO-66-ClO4的合成：将UiO-66分散在含有3mL HClO4的60mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中在100℃下浸泡12h，之后用丙酮溶液洗掉孔道中的N,N-二甲基甲酰胺；
Li-Nafion的合成：25.2mg LiOH·H2O溶于10mL 5％Nafion溶液中，在100℃搅拌6h进行锂化，在80℃下真空干燥得到Li-Nafion；
将35mg纳米UiO-66-ClO4和15mg Li-Nafion分散在5mL碳酸二乙酯中，超声60min，制备得到分散液；
将分散液在氩气气氛(O2＜0.1ppm，H2O＜0.1ppm)下涂覆在锂负极表面，在80℃干燥12h，制备得到具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
实施例5
一种具有高离子电导率人工SEI的锂金属负极的制备方法，包括以下制备步骤：
纳米UiO-66的合成：将233mg ZrCl4，166mg对苯二甲酸和1.22g苯甲酸溶于72mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中并在室温下超声10min。然后，在120℃下保持12h，冷却至室温后，离心制备得到UiO-66；
纳米UiO-66-ClO4的合成：将UiO-66分散在含有3mL HClO4的60mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中在100℃下浸泡12h，之后用丙酮溶液洗掉孔道中的N,N-二甲基甲酰胺；
Li-Nafion的合成：25.2mg LiOH·H2O溶于10mL 5％Nafion溶液中，在100℃搅拌6h进行锂化，在80℃下真空干燥得到Li-Nafion；
将35mg纳米UiO-66-ClO4和15mg Li-Nafion分散在5mL碳酸乙烯酯中，超声60min，制备得到分散液；
将分散液在氩气气氛(O2＜0.1ppm，H2O＜0.1ppm)下涂覆在锂负极表面，在80℃干燥12h，制备得到具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
将实施1制备得到的人工SEI膜进行性能测试，结果如下所示。
图1为本发明Li+SEI电极的SEM图像，从图中可知涂覆上去的人工SEI层均匀分布。
图2为本发明的Li+SEI电极力与深度的关系曲线图，通过纳米压痕测试了人工SEI层的力学性能，从图中可知，人工SEI的弹性模量为12.8GPa，远高于抑制锂枝晶的阈值(6GPa)。
图3为本发明的Li+SEI的极化后电流与时间的关系曲线图和极化前后的EIS图，通过计算得出，人工SEI膜的离子电导率可达0.398mS cm-1。
因此，根据本发明制备的人工SEI膜具有优异的机械强度和高离子电导率，解决了锂负极的安全性和界面稳定性问题，可推动锂金属电池的产业化。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）纳米UiO-66的合成：将ZrCl4、对苯二甲酸、苯甲酸溶于N, N-二甲基甲酰胺溶液中，水热制备得到纳米UiO-66；
2）纳米UiO-66-ClO4的合成：将纳米UiO-66分散在HClO4的N, N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡，浸泡条件为80~120 ℃下保温6~48 h，之后用丙酮溶液洗掉孔道中的N, N-二甲基甲酰胺；
3）Li-Nafion的合成：LiOH∙H2O溶于Nafion溶液中进行锂化，干燥得到Li-Nafion；
4）将纳米UiO-66-ClO4和Li-Nafion以（1~4）:1的质量比分散在溶剂中，制备得到分散液；
5）将所述分散液在保护气氛下涂覆在锂负极表面，制备得到具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中的水热反应条件为80~160℃下保温12~48 h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中HClO4和N, N-二甲基甲酰胺的体积比为（0.02~0.1）:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中的固液比为（5~20）:1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中的所述溶剂为碳酸丙烯酯、或碳酸二乙酯、或碳酸乙烯酯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5）中的所述保护气氛为氩气气氛，其中O2＜0.1 ppm，H2O＜0.1 ppm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5）中的涂覆厚度为5~12 μm。
8.一种根据权利要求1~7中任意一项所述的制备方法制备的具有高离子电导率人工SEI膜的锂金属负极。
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