[发明专利]一种金属/离子过滤层、其制备方法及其在电池中的应用

说明书

本申请公开了一种可应用于电池的金属/离子过滤层，所述金属/离子过滤层为多层堆叠材料。所述离子/金属过滤层可以增大金属沉积的过电位，过滤整合离子和金属，隔绝新鲜金属与电解液接触产生副反应，金属只会在支撑结构表面沉积，而不在离子/金属过滤层表面沉积。

技术领域

本申请涉及一种金属/离子过滤层、其制备方法及其在电池中的应用，属于电池领域。

背景技术

早在1992年日本索尼公司推出世界上第一款锂离子电池之前，1958年美国加州大学的一名研究生就提出了锂、钠等活泼金属做电池负极的设想，经此之后，人们就开始对金属电池进行研究。由于当时的科学技术不能解决金属电池的安全问题，之后科学家就开始更多的关注研究安全性能更好的锂离子电池。现当今各种便携式电子设备与新能源汽车广泛使用的是锂离子电池，但锂离子电池受到石墨负极比容量研发瓶颈的限制，不能满足人们发展更高续航能力的电动汽车、数码产品和大规模储能的智能电网。相比于商业锂离子电池的石墨负极，锂金属负极呈现出更高的能量密度，拥有最低的氧化还原电位(-3.04V相对于标准氢电极)和超高的比容量(3860mAh/g)，被誉为储能界的“圣杯”。由于锂元素资源的不足，钠元素的地壳含量更多，成本更低，并且钠与锂化学性质相似，使得钠金属电池也引起了广泛的重视。

然而，锂金属和钠金属在充放电循环中都会产生枝晶和损耗的问题。枝晶会刺穿隔膜，导致电池短路，引发火灾。而锂金属和钠金属在每一次充放电的循环又会引起库伦效率的降低。现今，如专利CN201610319583.3和专利CN 201610252135.6提出用支撑结构或骨架结构来做稳定主体，保护无主体的金属负极，虽然解决了金属体积膨胀的问题，但在支撑结构表面没有离子/金属保护层或过滤层，不能阻止金属与电解液的副反应，从而引起金属的损耗和电池库伦效率的降低。

发明内容

本发明提供了一种可应用于电池的金属保护材料，所述金属保护材料包括离子/金属过滤层，所述离子/金属过滤层可以是多层堆叠二维材料。所述离子/金属过滤层可以增大金属沉积的过电位，过滤整合离子和金属，隔绝新鲜金属与电解液接触产生副反应，金属只会在支撑结构表面沉积，而不在离子/金属过滤层表面沉积。使用此过滤层的金属电池可以抑制金属枝晶的生长，且具有高能量密度和长循环寿命。

根据本申请的一个方面，提供了一种金属/离子过滤层，所述过滤层可以增加金属的沉积过电位，并以此来引导金属的沉积在过滤层之下，从而避免金属与电解液之间的副反应。所述金属/离子过滤层为多层堆叠材料。

一种金属/离子过滤层，其特征在于，所述金属/离子过滤层为多层堆叠材料。

可选地，所述多层堆叠材料为多层堆叠的二维材料。

可选地，所述多层堆叠材料的堆叠层数为10层以上。

可选地，所述多层堆叠材料的堆叠层数为10层～100层。

可选地，所述多层堆叠材料的堆叠层数的上限选自100层、90层、80层、70层或60层。下限选自60层、50层、40层、30层、20层或10层。

可选地，所述多层堆叠材料选自多层堆叠石墨烯材料、多层二硫化钼、多层氮化硼中的至少一种。

根据本申请的另一个方面，提供一种上述金属/离子过滤层的制备方法。

所述方法包括以下步骤：

将含有制备金属/离子过滤层的原料的混合物置于反应釜中，加热至150～200℃，反应8～14h，冷却，洗涤，干燥，得到所述金属/离子过滤层。

可选地，所述加热的温度的上限选自180℃、185℃、190℃、195℃或200℃；下限选自150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃。

可选地，所述反应的时间的上限选自10h、12h或14h；下限选自8h、9h或10h。