[发明专利]一种锂碳复合负极片及其制备方法和锂二次电池

说明书

一种锂碳复合负极片及其制备方法和锂二次电池，所述碳复合负极片采用以下方法制备：将掺氮碳材料、粘结剂和溶剂搅拌配制成均匀的浆料，涂布于集流体上；烘干溶剂，得到集流体表面上形成有掺氮碳材料层的极片；在掺氮碳材料层中嵌锂，使金属锂嵌入到掺氮碳材料层的孔隙中。得到的锂碳复合负极片，包括集流体，所述集流体上具有掺氮碳材料层，所述掺氮碳材料层的孔隙中嵌有金属锂。本发明制得的负极片可有效抑制锂枝晶，防止电池短路，应用于锂二次电池中可以显著提高电池的安全性能以及循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂碳复合负极片及其制备方法，和使用该锂碳复合负极片的锂二次电池。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长及环境友好等特点，已广泛应用于各种消费类电子产品及电动交通工具中，并在大型储能领域显示出良好的应用前景。目前锂离子电池的负极材料多为石墨，由于石墨的理论比容量有限，使得锂离子电池能量密度的提高面临瓶颈。

金属锂负极由于具有非常高的理论比容量(3861mAh/g)，用做锂电池负极可以提高电池能量密度。但是与石墨负极充放电时锂离子在石墨片层中发生嵌入和脱出的过程不同，金属锂负极在充放电时发生的是锂的化学沉积和溶解的过程，这种沉积和溶解过程会带来相当大的体积变化，且会发生不均匀沉积，产生锂枝晶刺破隔膜，导致短路的安全事故，限制了金属锂负极的商业化应用。

为了解决金属锂负极应用中的锂枝晶问题，研究人员通过对金属锂表面进行处理，形成各种保护层，获得了一定的效果。公开号为CN104966814A的中国发明专利申请公开了一种高安全性的金属锂负极及其制备方法，该方法采用厚度为0.02～0.2μm的硅基保护层蒸镀在锂粉末多孔电极上，以此提高金属锂负极的安全性。公开号为CN106159200A的中国发明专利申请公开了一种具有保护涂层的金属锂负极及其制备和应用，采用组装分子层和无机快离子导体层在金属锂负极活性物质层表面构建固态电解质界面膜，以此达到抑制锂枝晶的目的。公开号为CN105489944A的中国发明专利申请公开了采用金属锂做负极的全固态电池制备方法，在金属锂表面涂覆负极材料薄层来抑制锂枝晶。公开号为CN105489845A的中国发明专利申请公开了一种基于PVD制备全固态锂离子电池用薄层金属锂基负极的方法，在薄层金属锂基负极材料表面沉积薄层金属保护层，从而抑制锂枝晶。公开号为CN105280886A的中国发明专利申请公开了金属锂负极表面原位处理方法与应用，通过少量含磷酸类物质的处理液与金属锂及其表面的钝化层反应生成以磷酸锂为主的界面保护层，以此抑制锂枝晶。公开号为CN105845891A的中国发明专利申请公开了一种具有双层结构的金属锂负极，该金属锂负极由底层的金属锂层及上层的表面覆盖层构成，表面覆盖层为碳材料、聚合物材料和玻璃纤维中的一种或几种。

以上金属锂负极的制备方法均可在一定程度上抑制锂枝晶，然而锂金属在充放电过程中不断地沉积和溶解会导致负极片厚度的巨大变化，最终导致保护层破裂而失效，且负极片巨大的厚度变化会对电池产生巨大的应力变化导致电池结构破坏失效，采用这些负极制备的二次电池的安全性能及循环性能仍有待进一步改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可抑制锂枝晶，并且可以避免充放电过程中极片厚度发生变化的锂碳复合负极片及其制备方法，以及提供一种可提高安全性能及循环性能的锂二次电池。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种锂碳复合负极片，包括集流体，所述集流体上具有掺氮碳材料层，所述掺氮碳材料层的孔隙中嵌有金属锂。

进一步的，所述掺氮碳材料层的厚度为1～100μm。

进一步的，所述掺氮碳材料是氮掺杂碳纳米管、氮掺杂石墨烯、氮掺杂的硬炭、氮掺杂的软炭、氮掺杂的活性炭、氮掺杂的碳纤维中的一种或几种。

前述锂碳复合负极片的制备方法，包括以下步骤：