[发明专利]一种锂碳复合材料及其制备方法、电极片和锂金属电池

说明书

本发明提供了一种锂碳复合材料，包括：交替叠加的锂层和碳层，所述锂碳复合材料的底层和表层均为碳层。本发明还提供了一种锂碳复合材料的制备方法，包括：将锂片和碳材料通过施压的方式复合在一起，得到锂碳复合材料。本发明还提供了一种电极片和锂金属电池。本发明提供的锂碳复合材料作为电极片进而制备得到锂金属电池，这种锂金属电池具有良好的循环稳定性。而且，本发明提供的锂碳复合材料的制备工艺简单，适合大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种锂碳复合材料及其制备方法、电极片和锂金属电池。

背景技术

锂金属由于其高理论容量(3860mAh g^-1)，低电化学电势(-3.04V)，低密度(0.534gcm^-3)等特点而愈发在锂二次电池领域受到人们的关注。而且随着锂硫和锂空气电池的发展，锂金属负极的应用前景也愈发光明。但是，作为锂电池的负极材料，锂金属一直存在着锂枝晶问题：(1)锂枝晶在生长过程中，容易刺穿隔膜，导致电池短路，产生安全隐患。(2)锂枝晶在析出和沉积锂的过程中不断产生和破碎，产生一些游离于锂金属表面的锂，消耗所需的锂金属。(3)由于锂枝晶的存在，锂金属表面需要不断重新生成固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interface,SEI)，从而使得锂金属电池的循环稳定性和库伦效率受到很大的影响。(4)在大电流密度下，锂金属表面局部电流密度增大，更容易生长锂枝晶而导致恶性循环。

针对以上问题，人们提供了很多的解决方案，包括：加入电解液添加剂(形成稳定的SEI膜)；在锂金属表面构筑保护层或使用固态电解质(高机械强度保护层阻碍锂枝晶的生长)；在锂金属表面构筑三维结构(增大比表面积，降低局部电流)以及形成三维锂复合结构等方法。其中，形成三维锂复合结构的改良作用相较于其它更为明显。三维锂复合骨架结构有以下优点：三维骨架结构可以容纳更多的锂，提高电池的性能；骨架本身机械强度高，可阻碍锂枝晶的长出；表面积大，降低了局部电流密度；导电性较好的骨架材料更有利于增加电极材料的导电性等。常用的三维骨架材料有金属和碳材料，金属骨架如铜导电性好，但是密度大，增加电了极片质量，降低总体的质量比容量。碳材料具备优良的导电性，密度低，物美价廉，以及比表面积较大、种类多等优点，是理想的构筑锂复合电极的三维骨架材料。

目前锂碳复合材料的制备方法多采用熔融法或电沉积法。如：CuiY.等人将锂加热到熔点(180.54℃)以上，使其融化，然后将氧化石墨(GraphiteOxide，GO)膜与液态锂接触，发生“闪光”反应使GO迅速被部分还原，再通过毛细作用吸入锂，形成复合电极材料。但锂容易氧化，融熔锂对环境气氛要求严格，且操作步骤繁杂。而现有的电沉积法则无法直接得到锂碳复合电极片，需要组装半电池并将锂缓慢电沉积到碳中，制备时间较长。可以看出，现有技术制备锂碳复合材料的工艺方法繁杂，不利于大规模生产，因此，探寻一种操作简单，可工业化生产的方法来制备锂碳复合材料成分本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂碳复合材料及其制备方法、电极片和锂金属电池，本发明提供的锂碳复合材料的性能较好而且制备方法工艺简单。

本发明提供了一种锂碳复合材料，包括：

交替叠加的锂层和碳层；

所述锂碳复合材料的底层和表层均为碳层。

在本发明中，所述锂层的层数优选为1～20层，更优选为2～18层，更优选为5～15层，更优选为8～12层，最优选为10层。

在本发明中，所述锂碳复合材料的厚度优选为50～1000微米，更优选为100～900微米，更优选为200～800微米，最优选为300～600微米。

本发明提供了一种上述技术方案所述的锂碳复合材料的制备方法，包括：

将锂片和碳材料通过施压的方式复合在一起，得到锂碳复合材料。