[发明专利]一种锂金属电池用负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂金属电池用负极材料，包括集流体和与所述集流体紧密贴合的载体；所述载体具有三维骨架结构，三维骨架的间隙填充有锂金属，所述载体的材质选自聚三聚氰胺、聚丙烯腈、聚苯胺、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。本发明采用具有三维骨架结构的不导电的聚合物作为载体，利用载体中含有的官能基团与锂离子的相互作用实现锂离子的平稳沉积，同时抑制体积膨胀，缓解电池内部应力，从而达到抑制锂枝晶生长的目的。以本发明制备的负极材料组装得到的锂离子电池的库伦效率，安全性及循环寿命均得到了显著提高。

技术领域

本发明涉及锂金属电池的技术领域，具体涉及一种锂金属电池用负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂电池被广泛用于电动汽车以及便携式电子设备。然而，现在商业化的锂离子电池，由于其本身电极材料的限制，已经难以满足当今社会对电池能量密度日益增长的需求。

锂金属电池由于其极高的理论比容量(3860mAh g^-1)，是理想的下一代锂电池。然而，锂金属电池的循环稳定性差以及安全问题，限制了锂金属电池的应用。导致这些问题的根本原因在于不均匀的锂沉积以及锂枝晶的生长。在重复的充放电循环过程中，锂金属表面会产生锂枝晶，锂枝晶的生长会刺穿聚合物隔膜，导致电池短路，产生安全隐患。除此之外，锂金属负极还会产生体积膨胀，增加电池内部应力，减短电池寿命。

电解液添加剂、人工固态电解质界面膜、固态电解质以及亲锂的载体被用来解决上述存在的问题。这些方式可以部分解决上述问题，但是制备过程繁琐，成本较高，不利于商业化生产。

除上述改性方法外，三维镍骨架也被用来抑制锂枝晶的生长，因为其较大的比表面积，可以有效地减小局部电流，抑制锂枝晶生长(Chi et.al.,Prestoringlithium intostable 3D nickel foam host asdendrite-free lithium metal anode，Adv.Funct.Mater.2017,27,1700348)。除此之外，还原氧化石墨烯也被用作锂沉积的载体，抑制锂枝晶的生长(Lin et.al.,Layered reduced graphene oxide withnanoscaleinterlayer gaps as a stable host for lithiummetal anodes)。

但是，上述载体材料都是电子导体，锂离子沉积时，更倾向于沉积于载体表面，难以完全发挥三维载体的作用，彻底抑制锂枝晶的生长。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种锂金属电池用负极材料，该负极材料可以实现平稳的锂沉积，有效地提高锂金属负极的库伦效率，循环寿命及安全性能。

具体技术方案如下：

一种锂金属电池用负极材料，包括集流体和与所述集流体紧密贴合的载体；

所述载体具有三维骨架结构，三维骨架的间隙填充有锂金属，所述载体的材质选自聚三聚氰胺、聚丙烯腈、聚苯胺、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。

本发明中采用的载体，均为不导电的聚合物，其材质中均包含有官能基团结构(含氮官能团，含氧官能团、含氟官能团等)，可以很好的在负极的三维空间内与锂离子产生相互作用，从而实现锂离子的平稳沉积，抑制锂枝晶的生长。除此之外，所述载体具备的三维结构可以为锂沉积提供载体，抑制体积膨胀，缓解电池内部应力。

进一步优选，所述载体选自聚三聚氰胺泡沫，具有三维网状交联的骨架结构，骨架尺寸为5～15μm。

当采用具有三维网状交联的骨架结构的聚三聚氰胺泡沫作为载体时，其化学结构中的含氮基团与锂离子具有更大的结合能，可以有效的均一化锂离子流，实现平稳锂沉积，抑制锂枝晶的生长。经试验发现，采用聚三聚氰胺泡沫作为载体制备的负极材料组装得到的锂金属电池，具有极高的库伦效率和极佳的安全性及循环寿命。