[发明专利]一种天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料及其制备方法和应用，包括一铜箔，该铜箔的表面均匀包覆有天然高分子聚合物层，同时具有一金属锂沉积层位于铜箔于天然高分子聚合物层的交界处，沉积量为2～8mAh/cm²，上述天然高分子聚合物包括琼脂糖、罗望种子胶和海藻酸钠。本发明的天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料具有良好的循环性能，以及无枝晶的金属锂沉积，提高了锂金属的循环寿命。本发明制备方法相比目前表面包覆层构建方法，具有显著的工艺简单，易于规模化生产并可有效抑制锂支晶生长的优点。

技术领域

本发明属于电化学能源体系技术领域，具体涉及一种天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料。

背景技术

随着化石能源的不断消耗，以及社会清洁能源意识、环境友好和可持续发展观念的不断深入，对开发绿色能源和储能系统的需求也日益迫切。近几年，随着移动设备、动力汽车等领域的飞速发展，对锂离子电池的容量和能量密度有了更高的要求。目前，锂离子电池商业化负极材料多采用石墨负极，但由于其较低的理论容量(374mAh/g)已经无法满足锂离子电池对高能量密度的要求。锂金属负极因具有比容量高(3860mAh/g)、最低的氧化还原电位(-3.04V，相对于标准氢电极)而被认为是锂离子电池最理想的负极材料。然而，金属锂在充放电过程中也面临着一系列问题。其中最为严峻的问题在于金属锂枝晶的不断生长，这导致了一系列的问题：(1)锂枝晶的不断生长容易刺破固体电解质膜(SEI膜)，加剧与电解液间的副反应以及金属锂界面的不稳定。(2)锂枝晶在循环过程中容易发生断裂，造成大量死锂的生成，降低了电池库伦效率。(3)锂枝晶的不断生长容易造成刺破隔膜，造成电池内短路，存在非常大的安全隐患。

针对这些问题，科研人员进行了大量的有益的研究工作，提出了相应的解决方法，主要包括：(1)构建三维多孔载体从而分散电荷密度，如石墨化碳纤维、还原型石墨烯、钛-碳/碳核壳纳米线等；(2)添加电解液添加剂从而均匀化锂金属的沉积，如LiNO₃、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、CsFP₆等；(3)构建金属锂保护层的，如Li₃PO₄、LiF、Li₃N等。利用这些保护层的高离子导率、高弹性模量等特点，阻碍金属锂枝晶的不断生长。

目前较为常见的金属锂保护策略多采用构建三维多孔框架材料，容纳金属锂并且能够起到分散电荷的目的。但是该方法面临着生产成本较高，难以大规模应用的问题。另外，金属锂保护层也是常见的金属锂保护策略，目前文献报道的多为直接在金属锂表面原位生长保护层，但是由于金属锂具有强反应活性导致原位生长困难，对反应条件要求苛刻，这也限制了该方法的实际使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料。

本发明的另一目的在于提供上述天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料的应用。

本发明的技术方案如下：

一种天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料，包括一铜箔，该铜箔的表面均匀包覆有天然高分子聚合物层，同时具有一金属锂沉积层位于铜箔于天然高分子聚合物层的交界处，沉积量为2～8mAh/cm²，上述天然高分子聚合物包括琼脂糖、罗望种子胶和海藻酸钠。

在本发明的一个优选实施方案中，所述天然高分子聚合物层的厚度为0.5～3μm。

上述锂金属负极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将天然高分子聚合物加入水中，完全溶解，获得浓度为1～5wt％的天然高分子聚合物溶液；

(2)将上述天然高分子聚合物溶液均匀涂覆于铜箔上，然后于70～80℃真空烘干8～12h，得到带保护层的铜集流体；