[发明专利]一种锂合金带材及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂合金带材及其制备方法。该锂合金带材包括混合均匀的金属锂单质和微纳米结构的过渡金属单质；其制备方法为：(1)在露点不高于‑50℃、氧含量不高于10ppm的环境中，将金属锂加热至熔融状态；(2)将过渡金属加入熔融状态的金属锂中，混匀，形成熔融的合金状态；(3)冷却至室温，制得锂合金材料；(4)将步骤(3)所得锂合金材料加热至30～500℃；(5)将锂合金加工成厚度为1～100μm的合金带材。本发明制备方法简单可行，成本低，制备出的金属锂合金带材具有比锂带更高的硬度、强度、更好的加工性能，应用在金属锂电池中能够有效提高电池的库伦效率和循环寿命。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种锂合金带材及其制备方法。

背景技术

由于金属锂具有最高的理论比容量与最低的氧化还原电位，使得金属锂可能作为负极材料满足锂电池提高能量密度的需求。金属锂作为负极材料具有库伦效率低、循环寿命短、生长锂枝晶、金属锂与电解液副反应严重、体积变化大等问题。由于锂带可以直接作为锂电池负极材料及锂硫、锂空电池负极材料或作为碳材料等常规负极的补锂材料等，应用较为广泛，对于锂带的需求也越来越多。但由于金属锂质地柔软、具有粘连性、强度低、硬度低等特性，加工较为困难。因此有必要制备在广泛厚度范围内具有自支撑性的锂合金带材作为纯锂带材的替代品来够提高其可加工性，拓宽其应用范围，并且提升金属锂的电化学性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种锂合金带材及其制备方法，可有效解决金属锂在加工中存在的易粘连等困难，以及作为负极材料在电池循环过程中，金属锂枝晶的生长造成的库伦效率低、寿命短的问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锂合金带材，该带材具有自支撑性，厚度为1～100μm，其内部包含混合均匀的金属锂单质和具有微纳米结构的过渡金属单质；其中，金属锂单质填充于具有网状结构的过渡金属单质内部。

一种锂合金带材，其制备方法包括以下步骤：

(1)在露点不高于-50℃、氧含量不高于10ppm的环境中，将金属锂加热至200～800℃，使金属锂为熔融状态；此处的环境条件是要避免金属锂与空气中的水分或氧发生变化；

(2)在温度低于过渡金属熔点温度的条件下，将过渡金属加入熔融状态的金属锂中，保温1～60min，混匀，形成熔融的合金状态；其中，过渡金属为铜、镍、钪、钛、钒、铬、锰、钴和铌中的至少一种；

金属锂熔融时，其温度是低于过渡金属的熔点温度的。向熔融状态的金属锂中加入过渡金属后，金属锂会起到助溶剂的作用，使得金属锂与过渡金属在温度低于过渡金属熔融温度条件下也能很好的进行熔融混合。当金属锂熔融温度较高时，金属锂与过渡金属能够更快地形成熔融合金；当熔融温度适当降低时，两种金属也会形成熔融合金。在本发明的200～800℃，均可使得金属锂与过渡金属熔融混合，形成熔融合金。

(3)将步骤(2)所得物冷却至室温，制得锂合金材料；

(4)在氮气氛围中，将步骤(3)所得锂合金材料加热至30～500℃，在锂合金材料表面形成一层氮化层；

(5)将步骤(4)所得产物加工成厚度为1～100μm的，且具有自支撑性的合金带材。

在熔融合金冷却过程中部分过渡金属和金属锂均是以单质形式存在，且锂合金内部形成了均匀的微纳米结构的过渡金属网络，这样的合金结构可以提高材料的机械性能和可加工性，通过与氮气反应形成表面氮化层作为锂表面的钝化层能够提升作为电池负极材料的性能，减少锂表面与电解液的反应，抑制锂枝晶的生长，在加工成锂带的过程中避免锂合金材料的粘连问题，更好的将锂合金材料加工成具有自支撑性的带材，并且用作电池负极材料，可有效提高电池的性能。

进一步地，步骤(1)中对金属锂进行处理的条件为：