[发明专利]具有疏水包覆层的金属锂-骨架碳复合材料、其制备方法与应用

说明书

公开了一种具有疏水包覆层的金属锂‑骨架碳复合材料、其制备方法、含有该金属锂‑骨架碳复合材料的电极和电化学储能装置，以及保护含对水、氧敏感的活性金属材料的方法。具有疏水包覆层的金属锂‑骨架碳复合材料包括：金属锂‑骨架碳复合材料，包括多孔碳材料载体和至少分布于所述多孔碳材料载体的孔隙中的金属锂；疏水包覆层，其至少包覆所述金属锂‑骨架碳复合材料中的金属锂。由于疏水包覆层具有隔绝水和氧的功能，具有疏水包覆层的金属锂‑骨架碳复合材料可以稳定存在于空气中，采用具有疏水包覆层的金属锂‑骨架碳复合材料作为锂电池的负极可以提高电池的安全性和循环寿命。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及可用于锂电池的锂碳复合材料。

背景技术

自从1991年Sony公司将锂电池正式投向市场之后，在过去的20年内，锂离子电池得到了充分的发展。锂离子电池由于其高容量，高能量密度以及良好的循环稳定性，广泛运用于电子产品以及动力汽车上。金属锂负极由于具有最低的还原电势(-3.045V vs H₂/H⁺)，十倍于传统石墨负极的理论容量(3860mA h g^-1,石墨负极:372mA h g^-1)被称为电池储能界的“圣杯”。此外需要用到金属锂负极的下一代锂电池，锂硫电池(理论能量密度2600Wh/kg)；锂空气电池(理论能量密度5210Wh/kg)都极大高于目前锂离子电池的能量密度，若采用这些电池作为动力汽车的电源则是的汽车在充满电后有更长的行驶里程，从而为当今世界的能源问题提供了一个极好的解决方案。

然而，金属锂化学性质极为活泼，会与空气中的氧气和水剧烈反应，放出大量的热。因此，对于金属锂负极的操作必须在氩气保护的条件下进行，严重增加了金属锂的使用成本以及安全隐患。此外，金属锂负极在循环过程中，表面会形成枝晶，而枝晶的生长有可能会刺穿隔膜造成正负极相接而发生内部短路，释放出大量的热，造成电池的燃烧甚至爆炸。

发明内容

本发明的主要目的在于提供具有疏水包覆层的金属锂-骨架碳复合材料、其制备方法、含有该金属锂-骨架碳复合材料的电极和电化学储能装置，以及保护含对水、氧敏感的活性金属的材料的方法。

本发明采用的技术方案包括：

在一些实施例中提供一种具有疏水包覆层的金属锂-骨架碳复合材料，其包括：金属锂-骨架碳复合材料，包括多孔碳材料载体和至少分布于所述多孔碳材料载体的孔隙中的金属锂；和疏水包覆层，至少包覆所述金属锂-骨架碳复合材料中的金属锂金属基纳米颗粒-碳复合材料。

在一些实施例中提供一种用于制备上述具有疏水包覆层的金属锂-骨架碳复合材料的方法，包括：将金属锂-碳骨架复合材料与溶解有成膜性疏水物质或者具有锂反应性部分和疏水性部分的化合物的有机溶剂混合；通过固液分离或蒸发，获得具有疏水包覆层的金属锂-骨架碳复合材料。

在一些实施例中提供一种保护含对水、氧敏感的活性金属的材料的方法，所述方法包括在所述材料上形成疏水包覆层，所述疏水包覆层至少包覆所述材料中的活性金属。

在一些实施例中提供一种电极，所述电极包含上述具有疏水包覆层的金属锂-骨架碳复合材料作为电极材料。

在一些实施例中提供一种电化学储能装置，其包括上述电极。

本发明具有以下有益效果中的至少一种：

(1)形成的致密疏水包覆层具有隔绝水和氧的功能，被包覆的材料可以稳定存在于空气中；

(2)具有锂反应性部分和疏水性部分的化合物形成的包覆层具有钝化层和疏水层的双重作用；

(3)疏水包覆层具有一定的机械强度，能够承受金属锂-骨架碳复合材料表面的固体电解质界面膜(SEI膜)的体积变化，提高其循环稳定性，抑制枝晶的产生；