CN114156455A - 用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料及制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于锂金属电池负极保护的异质结构材料及制备方法和应用，包括步骤：(1)将钼酸铵溶于含有10mL 65％HNO3的70mL水溶液中；(2)将溶液在200℃下水热反应24小时；(3)将水热制备的MoO3纳米带前驱体在氨气气氛中700～850℃下高温处理6小时。最后可获得异质结构Mo3N2/MoN纳米带粉末；本发明的制备方法原料绿色环保、成本低、反应条件可控、产率高、重复性好、可规模化生产；本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带功能材料具有比表面积大、表面自由能高、亲锂性好、机械强度高等特点，将该材料作为锂金属电池负极的保护层可显著地改善锂金属电池的电化学性能，在高能量密度的储能电池领域具有极高的应用前景。

Description

用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料及制备和应用
技术领域
本发明属于本发明属于新型异质结构纳米材料制备领域，特别是一种用于锂金属电池锂负极保护的异质结构Mo3N2/MoN纳米带粉末的方法。
背景技术
随着便携式电子设备和电动汽车需求的增加，开发具有高能量、高功率密度的先进储能系统势在必行。为了获得比目前采用石墨阳极的锂离子电池所能提供的更高的能量密度，一个直接的策略是探索具有高理论容量和低氧化还原电位的阳极材料，由于金属锂具有极高的理论容量(3861mAh g-1)和最低的还原电位(-3.04V vs.标准氢电极)，金属锂被认为是下一代锂电池的理想负极材料。然而金属锂负极在循环过程中体积膨胀、生成不稳定的固体电解质间相以及锂枝晶的生长，导致多孔和不紧凑的锂沉积，电解质的持续消耗，隔膜被刺穿等问题，并最终导致锂金属电池的失败，这严重影响了锂金属电池在实际中的发展和应用。因此，如何解决、改善上述问题，尤其是抑制或者避免副反应的持续发生和锂枝晶的生长，提高锂金属电池的电化学性能和安全性，成为研究中要解决的技术问题。基于此，采用一种简便的、可推广的方法构建一个具有强的机械性能、高的表面自由能以及优良亲锂性的多功能人工界面来解决上述问题，从而获得无枝晶和超稳定的锂金属电池仍然是一个巨大的挑战。
因此，为了解决和克服这些挑战，本发明提出了一种简单高效的制备异质结构Mo3N2/MoN纳米带的方法并将合成的功能材料应用于锂金属负极的保护。通过调节氨化温度和时间，制备出异质结构的Mo3N2/MoN纳米带。该材料特殊的结构和组成赋予了材料独特的优异性：作为保护层直观的阻止了电解液和锂表面的接触，缓解了副反应的发生，其次，异质结构实现了对锂离子的捕获-扩散-沉积的促进作用，为离子快速传递提供了通道，提高了材料对离子的迁移率，在异质结表面实现快速的离子交换，同时，氮化钼因其强的极性官能团为锂离子的均匀沉积提供了大量的活性位点，减小了施加在负极的局部电流密度，生成了稳定固态电解质膜，从而抑制了锂枝晶的生长和缓解了副反应的持续，提高了锂金属电池的整体电化学性能。本发明所述方法实验过程简单、重复性好、成本低廉，为异质结构Mo3N2/MoN纳米带在锂金属电池中的应用提供了可行的制备方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的问题，本发明为克服上述技术问题提供了一种简单、高效、快速、易于规模化制备并应用于锂金属负极保护的异质结构Mo3N2/MoN纳米带功能材料的方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1～2g钼酸铵溶于含有10～20mL 65％HNO3的水溶液中，持续搅拌20～60min；
步骤2：将步骤1所得的溶液倒入100mL水热反应釜中，水热温度为180～220℃，水热反应12～36小时，冷却到室温；
步骤3：将步骤2所得的冷却产物过滤，用蒸馏水和乙醇多次清洗，然后将其冷冻干燥，得到MoO3纳米带前驱体；
步骤4：将步骤3得到的产物称量0.5～1g置于瓷舟，在氨气气氛的管式炉中700～850℃下保持4～6小时，得到异质结构的Mo3N2/MoN纳米带最终产物。
作为优选方式，步骤2所述的水热温度为200℃。
作为优选方式，步骤4在氨气气氛的管式炉中750℃保持6小时。
作为优选方式，步骤4的升温速率2～5℃/min。
本发明提供一种所述的方法得到的用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料，所述材料为异质结构Mo3N2/MoN纳米带。
作为优选方式，异质结构Mo3N2/MoN纳米带宽度均匀，为210nm。
本发明还提供一种所述的方法得到的异质结构Mo3N2/MoN纳米带在锂金属电池中的应用，其特征在于：异质结构Mo3N2/MoN纳米带用作锂金属电池负极的保护层。
作为优选方式，所述异质结构Mo3N2/MoN纳米带用于提高具有所述保护层的锂金属负极表面对电解液的浸润性，并用于提高锂金属电池的循环稳定性。
作为优选方式，异质结构Mo3N2/MoN纳米带保护层的厚度为3～6μm。
本发明提供上述方法得到的异质结构Mo3N2/MoN纳米带，具有优异的锂金属电池电化学性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的效果：
由于锂金属高的活性，会与电解液发生反应，连续的副反应会大量消耗电解液，从而导致锂金属电池容量快速衰减，循环稳定性差，所以本发明制备的功能材料保护的锂金属负极有效的缓解了副反应，从而提高了锂金属电池的循环稳定性；
本发明制备的材料为异质结构的纳米带，异质结构对实现锂离子的捕获-扩散-沉积具有促进作用，为离子快速传递提供通道，提高了材料对离子的迁移率，在异质结表面实现快速的离子交换，同时，氮化钼因其强的极性官能团为锂离子的均匀沉积提供了大量的活性位点，减小了施加在负极的局部电流密度，生成了稳定固态电解质膜，从而抑制了锂枝晶的生长和缓解了副反应的持续；
本发明制备的保护层材料具有良好的亲锂性、离子导性以及机械强度；
本发明提供的制备方法具有实验过程简单、重复性好、可控性强、成本低的特点。
本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带展现出了优异的锂金属电池电化学性能，为碱金属电池负极保护层的设计和应用提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明的制备流程图。
图2为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带的X射线衍射图；
图3为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带的扫描电子显微镜图；
图4为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带的透射电子显微镜图；
图5为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带作为保护层的锂金属负极的电解液接触图；
图6为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带作为保护层的锂金属负极封装电池的循环稳定性图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
图2为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带的X射线衍射图，可以看出合成的产物与主相Mo3N2的标准PDF卡片和次相MoN的标准PDF卡片符合，说明成功制备出了Mo3N2/MoN双相材料。
图3为本发明制备的Mo3N2/MoN纳米带的扫描电子显微镜图，从图可以清晰地看到纳米带状的形貌。
图4为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带粉末的透射电子显微镜图，可以看出，纳米带上含有丰富的内部孔洞，为锂离子的传递提供了通道，同时可以观察到明显的异质结构。其中，(a)为50nm的透射电镜图，(b)为20nm的透射电镜图，(c)为5nm的透射电镜图。
图5为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带保护的锂金属负极的电解液接触图，可以看出与表面未保护的锂金属负极相比，保护后的锂金属负极表面对电解液具有良好的浸润性。其中，(a)为电解液在表面未修饰的锂金属负极上的电解液接触图，(b)为电解液在本发明制备材料保护的锂金属负极上的电解液接触图。
图6为本发明制备的异质结构Mo3N2/MoN纳米带保护的锂金属负极封装电池的循环稳定性图，可以看出，与未保护的锂金属负极封装电池的性能相比，保护的锂金属负极封装的电池具有显著提高的循环稳定性。其中，(a)为具有本发明所述保护层的锂金属负极封装电池与未保护锂片封装电池在1C下的循环稳定性图，(b)为具有本发明所述保护层的锂金属负极封装电池与未保护锂片封装电池在3C下的循环稳定性图。
实施例1
本实施例提供一种用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1g钼酸铵溶于含有15mL 65％HNO3的水溶液中，持续搅拌20min；
步骤2：将步骤1所得的溶液倒入100mL水热反应釜中，水热温度为180℃，水热反应12小时，冷却到室温；
步骤3：将步骤2所得的冷却产物过滤，用蒸馏水和乙醇多次清洗，然后将其冷冻干燥，得到MoO3纳米带前驱体；
步骤4：将步骤3得到的产物称量0.5g置于瓷舟，在氨气气氛的管式炉中，以2℃/min的升温速率升至700℃，保持4小时，得到异质结构Mo3N2/MoN纳米带最终产物。
所述材料为异质结构Mo3N2/MoN纳米带。异质结构Mo3N2/MoN纳米带宽度均匀，为210nm。
本实施例提供一种异质结构Mo3N2/MoN纳米带在锂金属电池中的应用，其中，异质结构Mo3N2/MoN纳米带用作锂金属电池负极的保护层，采用现有的滴涂法或刮涂法修饰在锂金属负极上。
所述异质结构Mo3N2/MoN纳米带用于提高具有所述保护层的锂金属负极表面对电解液的浸润性，并用于提高锂金属电池的循环稳定性。
优选的，异质结构Mo3N2/MoN纳米带保护层的厚度为3～6μm。
实施例2
本实施例提供一种用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将2g钼酸铵溶于含有20mL 65％HNO3的水溶液中，持续搅拌60min；
步骤2：将步骤1所得的溶液倒入100mL水热反应釜中，水热温度为220℃，水热反应36小时，冷却到室温；
步骤3：将步骤2所得的冷却产物过滤，用蒸馏水和乙醇多次清洗，然后将其冷冻干燥，得到MoO3纳米带前驱体；
步骤4：将步骤3得到的产物称量1g置于瓷舟，在氨气气氛的管式炉中，以5℃/min的升温速率升至850℃保持5小时，得到异质结构的Mo3N2/MoN纳米带最终产物。
所述材料为异质结构Mo3N2/MoN纳米带。
异质结构Mo3N2/MoN纳米带宽度均匀，为210nm。
本实施例提供一种异质结构Mo3N2/MoN纳米带在锂金属电池中的应用，异质结构Mo3N2/MoN纳米带用作锂金属电池负极的保护层。
所述异质结构Mo3N2/MoN纳米带用于提高具有所述保护层的锂金属负极表面对电解液的浸润性，并用于提高锂金属电池的循环稳定性。
优选的，异质结构Mo3N2/MoN纳米带保护层的厚度为3～6μm。
实施例3
本实施例提供一种用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1.4g钼酸铵溶于含有10mL 65％HNO3的水溶液中，持续搅拌60min；
步骤2：将步骤1所得的溶液倒入100mL水热反应釜中，水热温度为200℃，水热反应24小时，冷却到室温；
步骤3：将步骤2所得的冷却产物过滤，用蒸馏水和乙醇多次清洗，然后将其冷冻干燥，得到MoO3纳米带前驱体；
步骤4：将步骤3得到的产物称量0.7g置于瓷舟，在氨气气氛的管式炉中，以5℃/min的升温速率升至750℃，保持6小时，得到异质结构的Mo3N2/MoN纳米带最终产物。
所述材料为异质结构Mo3N2/MoN纳米带。
异质结构Mo3N2/MoN纳米带宽度均匀，为210nm。
本实施例提供一种异质结构Mo3N2/MoN纳米带在锂金属电池中的应用，异质结构Mo3N2/MoN纳米带用作锂金属电池负极的保护层。
所述异质结构Mo3N2/MoN纳米带用于提高具有所述保护层的锂金属负极表面对电解液的浸润性，并用于提高锂金属电池的循环稳定性。
优选的，异质结构Mo3N2/MoN纳米带保护层的厚度为3～6μm。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将1～2g钼酸铵溶于含有10～20mL 65％HNO3的水溶液中，持续搅拌20～60min；
步骤2：将步骤1所得的溶液倒入100mL水热反应釜中，水热温度为180～220℃，水热反应12～36小时，冷却到室温；
步骤3：将步骤2所得的冷却产物过滤，用蒸馏水和乙醇多次清洗，然后将其冷冻干燥，得到MoO3纳米带前驱体；
步骤4：将步骤3得到的产物称量0.5～1g置于瓷舟，在氨气气氛的管式炉中700～850℃下保持4～6小时，得到异质结构的Mo3N2/MoN纳米带最终产物。
2.根据权利要求1所述的用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，其特征在于：步骤2所述水热温度为200℃。
3.根据权利要求1所述的用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，其特征在于：步骤4在氨气气氛的管式炉中750℃保持6小时。
4.根据权利要求1所述的用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料的制备方法，其特征在于：步骤4的升温速率2～5℃/min。
5.权利要求1至4任意一项所述的方法得到的用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料，其特征在于：所述材料为异质结构Mo3N2/MoN纳米带。
6.权利要求5所述的用于锂金属电池锂负极保护的异质结构材料，其特征在于：异质结构Mo3N2/MoN纳米带宽度均匀，为210nm。
7.权利要求1至4任意一项所述的方法得到的异质结构Mo3N2/MoN纳米带在锂金属电池中的应用，其特征在于：异质结构Mo3N2/MoN纳米带用作锂金属电池负极的保护层。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述异质结构Mo3N2/MoN纳米带用于提高具有所述保护层的锂金属负极表面对电解液的浸润性，并用于提高锂金属电池的循环稳定性。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：异质结构Mo3N2/MoN纳米带保护层的厚度为3～6μm。
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