[发明专利]一种锂金属二次电池负极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂二次电池技术领域，涉及一种锂金属二次电池负极及其制备方法，尤其涉及一种锂金属二次电池负极及其改性方法。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、重量轻、自放电少、无记忆效应与性能价格比高等优点，已成为高功率电动车辆、人造卫星、航空航天等领域可充式电源的主要选择对象。然而，随着人们对于电子设备中电池容量以及长循环寿命更高的要求，已有锂离子电池的性能逐渐地无法满足应用需求。其中决定锂离子电池性能的关键因素之一就是负极材料，现有的商品化锂离子电池大多采用石墨类负极材料。此类材料具有循环寿命长以及低成本的优势。但是，石墨类负极材料理论容量较低，只有372mAh/g，如此低的能量密度已经无法满足日益发展的便携电子设备，储能设器件及电动汽车对于能量密度的要求。因此，发展具有高能量密度的新型锂离子电池负极材料显得越来越迫切。

金属锂的比容量为3860mAh·g^-1，电极电势为-3.04V(vs标准氢电极)且质量密度较低，被认为是最理想的锂离子电池负极材料。而且近些年来发展起来的以金属锂为负极的锂-硫电池和锂-空气电池也被视为最有希望的下一代储能电池。如锂-空气电池就是以锂为负极的锂金属二次电池，比锂离子电池具有更高的能量密度。理论上来说，氧气作为正极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，可以提供与汽油同等的能量，而且锂-空气电池从空气中吸收氧气放电，因此这种电池可以更小、更轻。

但是，锂金属作为负极在实际的应用中却面临着挑战：锂金属负极在充放电循环过程中会在表面形成枝晶，枝晶的生长会刺穿隔膜，导致电池内部短路，从而引发安全问题；枝晶的形成导致锂负极体积无限制的膨胀；同时枝晶可能断裂，形成“死锂”，导致电池库伦效率低，降低电池的能量密度，严重降低了电池的安全性能和循环使用寿命。

因此，如何对锂金属负极进行改性，使其中减少和抑制上述情况的发生，使其具有更高的实用性，已成为领域内诸多一线研究人员和科研企业广为关注焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种锂金属二次电池负极及其制备方法，是一种锂金属二次电池负极的改性方法。本发明采用了三维的石墨烯泡沫和金属锂进行复合，得到了锂金属二次电池负极，减少了金属锂负极的体积膨胀，抑制了金属锂枝晶的形成，提高了锂金属二次电池的库伦效率。

本发明提供了一种锂金属二次电池负极，包括石墨烯泡沫和复合在所述石墨烯泡沫中的金属锂。

优选的，所述石墨烯泡沫与所述金属锂的质量比为1：(30～60)；

所述石墨烯泡沫的比表面积为60～150m²/g；

所述石墨烯泡沫的孔径为2～5μm。

优选的，所述石墨烯包括单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或改性石墨烯；

所述石墨烯泡沫为具有多孔结构的三维材料；

所述锂金属二次电池负极以石墨烯泡沫为骨架，所述金属锂填充在所述石墨烯泡沫中。

本发明提供了一种锂金属二次电池负极的制备方法，包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯水溶液经水热法还原后，得到石墨烯水凝胶，再经过冷冻干燥后，得到石墨烯泡沫；

2)将上述步骤得到的石墨烯泡沫与液态金属锂混合后，得到锂金属二次电池负极。

优选的，所述水热法还原的温度为160～220℃；

所述水热法还原的时间为8～16h；

所述氧化石墨烯水溶液占所述水热法还原用反应器皿的容积比为60％～85％。

优选的，所述液态金属锂由以下方法制备：

在保护性气氛下，将固态金属锂加热后，得到液态金属锂；

所述加热的温度为大于等于180℃；

所述加热时的含水量小于等于0.1ppm；

所述加热时的含氧量小于等于0.1ppm。

优选的，所述氧化石墨烯水溶液由氧化石墨烯粉末与水经超声分散后得到；

所述氧化石墨烯水溶液的浓度为2～8mg/mL；

所述超声的时间为大于等于2h；

所述氧化石墨烯粉末由石墨经改性Hummers法制备得到。

优选的，所述步骤2)具体为：

将上述步骤得到的石墨烯泡沫与液态的金属锂进行接触，或浸于液态的金属锂中，直到金属锂均匀的熔融于石墨烯泡沫中，然后自然冷却后，得到锂金属二次电池负极。

优选的，所述混合后还包括后处理步骤；