[发明专利]一种柔性锂金属电池负极及其制备方法

说明书

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。

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。