[发明专利]锂金属电极表面氧化复合保护层结构及制备方法

说明书

本发明属于锂金属电极氧化保护技术领域，本发明公开了一种锂金属电极表面氧化复合保护层结构及制备方法，所述氧化复合保护层结构包括若干个电子绝缘的二维片层结构层，相邻的二维片层结构层之间设有苯硫醚类传导层；所述制备方法包括步骤：A、将氧化石墨烯粉体于有机溶剂中充分分散，得到分散液；B、将含苯类官能团的硫醚加入分散液中，混匀溶解，得到涂布溶液；C、将涂布溶液喷涂于电池用隔膜基底上，蒸干溶剂，得到含有涂覆均匀的涂层的隔膜。本发明通过在若干个二维片层结构层之间引入有机苯硫醚类小分子，通过其自发反应构成的S‑S交联结构构成锂离子传输通道，可以起到隔绝电解液同锂金属的直接接触，提高了锂金属的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂金属电极氧化保护技术领域，具体涉及一种锂金属电极表面氧化复合保护层结构及制备方法。

背景技术

目前锂离子电池作为能量密度最高，技术最成熟的储能器件，已经广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、自行车、储能电站等多个领域。然而基于嵌入脱出机理的锂离子电池体系，其能量密度已达到瓶颈，难以获得进一步提升，无法满足电动领域和储能电站领域对高能量密度储能器件的需求。

现阶段已经开发出多种高能量密度储能器件体系，其中基于锂金属电极的电池体系(锂硫、锂-空气电池)被认为是最有可能取代锂离子电池的新一代储能体系。然而，由于金属锂反应活性高，沉积溶解过程中存在较大的体积变化以及容易产生锂枝晶刺穿隔膜引发安全性问题，使得基于锂金属电极的电池体系仍处于商业化的研究阶段，尚没有取得大范围的推广。

锂金属电池最容易出现问题的部分主要在使用过程中，在反复的充放电循环过程中，锂枝晶逐渐从电极表面生长，刺穿隔膜并接触到正极，造成电池短路，致使电池多次循环后不稳定。另外，锂负极在循环过程中也会产生疏松锂结构，并从锂电极脱离造成死锂，造成电池容量迅速衰减。为解决锂金属在液态电解液中循环性能差的问题，常用的方法是在锂金属的一侧设计和制备缓冲层或复合保护层结构。

这种复合保护层结构具备锂离子传导特性，同时能够阻止锂金属表面同电解液的直接接触，但是绝大多数复合保护层技术尚不成熟，不能满足商业化锂金属电池的需要。有些复合保护层设计方案将锂金属同一些化合物通过在电解液中接触的原位反应获得，多数原位成膜的方式通过电池组装后静置生长获得的，通常这种复合保护层具有多孔结构，允许电解液渗透，从而导致电解液与锂金属直接接触，因此该方式对锂金属的保护并不完善。另一种非原位成膜方式，则是在锂金属表面预先沉积一层固态电解质层，如LiPON、Li₁₀GeP₂S₁₂等，这种方式虽然能完整的隔绝锂金属同电解液的直接接触，但这种固态电解质材料加工性能差，成本较高，并且在电池充放电和使用过程中容易破碎导致复合保护层失效。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种锂金属电极表面氧化复合保护层结构及制备方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种锂金属电极表面氧化复合保护层结构，所述氧化复合保护层结构包括电子绝缘的二维片层结构层，二维片层结构层中复合有作为锂离子传导介质的苯硫醚类有机分子。

进一步的，所述电子绝缘的二维片层结构层为石墨烯二维片层结构层、氮化硼二维片层结构层或二硫化钼二维片层结构层。

进一步的，所述苯硫醚类有机分子为含苯类官能团的硫醚分子，所述含苯类官能团的硫醚分子的结构式为：Ph-(S)n-Ph，其中，Ph为苯环或含有取代基的苯环；(S)n为含n个硫原子的硫醚长链，n值范围为2～6。

进一步的，所述Ph为含有硝基取代基、卤素取代基或羟基取代基的苯环；n值范围为2～4。

进一步的，所述二维片层结构层为石墨烯二维片层结构层，所述石墨烯二维片层结构层为石墨经强氧化剥离获得的氧化石墨烯片层，片层厚度为0.5～5nm。