[发明专利]一种复合锂金属电极及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种通过聚合物凝胶复合碳材料制备的复合锂金属电极，并进一步公开其制备方法。本发明所述复合锂金属电极的制备方法，通过使用聚合物凝胶层包覆碳材料骨架，再以电化学沉积的方法将锂金属沉积到电极的孔隙中，整个制备过程中，确保锂的均匀沉积。所述锂金属复合电极在作为锂离子电池的负极使用时，可充分发挥锂金属的优势，有效降低了锂金属电极循环过程中的体积变化，并有效抑制锂枝晶大量生长的问题，更能充分利用电极的储锂空间，从而提高复合电极的理论容量，提高电池的安全性和能量密度，极大的改善了锂电极循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种通过聚合物凝胶复合碳材料制备的复合锂金属电极，并进一步公开其制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池即充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间往复移动来工作。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：而充电时，Li⁺则从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，使负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池自上世纪九十年代问世以来，经过二十余年的发展，已经走进千家万户。锂离子电池因其环境相容性好、循环寿命长、自放电率低的优势，已发展成为最常用的储能设备，广泛的应用在便携式电子设备、电动汽车上、航空航天、发电基站、交通工具等领域。而随着便携式电子产品、电动汽车的普及，人们对锂离子电池的性能有了更高的要求，高能量密度、高安全性、长寿命、低成本是未来锂离子电池的发展方向。因此，新体系电池、新型正负极材料就成了当前锂离子电池研发热点。

锂离子电池结构中，锂金属负极因其极高的理论容量(3860mAh/g)、低电化学电位(-3.04V vs.SHE)被人们视为理想的负极材料。然而，在研究中发现，现有技术中使用的锂金属负极却存在着各种各样的问题，如：锂金属电极在循环中其体积近乎无限的变化率，致使电池形成空腔或断路；锂离子的不均匀沉积形成锂枝晶，锂枝晶大量生长，造成短路等危险；锂金属电极在循环中会产生大量“死锂”造成循环库伦效率低下。

为减小锂金属电极在循环过程中的体积变化，研究人员通过使用密度较小、化学/电化学稳定的材料构建框架，将锂沉积到框架内部予以解决(Nature Nanotechnology2016,11:626–632；Nature Communications 2016,7:10992；Journal of PhysicalChemistry Letters,2016,7(7):1267；Advanced Materials 2017,1700389.)。然而，以此种方法制备的复合储锂电极时却存在锂沉积不均匀的问题，容易形成锂枝晶，导致材料孔隙利用率低，充放电电流密度小等缺陷。据研究，造成上述问题的主要原因就是在沉积过程中，电极骨架材料直接与电解液接触，导致在固液界面上，形成锂离子的不均匀沉积。同时，也有学者指出，通过在锂金属表面人工合成一层稳定的固体电解质层，即可以优化反应界面，以改善锂离子的沉积性能(Advanced Materials,2016,28:1853–1858；Acs Nano,2015,9(6):5884；Nano Letter.2014,14:6016–6022.；Energy Storage Materials,2018；Advanced Functional Materials.2018,1705838；Advanced Energy Materials.2017,1701482.)。然而，该方法仍不能避免锂金属体积的剧烈变化，而且使用ALD等方法在锂金属表面沉积无机层的方式存在着操作困难且成本高昂的问题，不利于大规模应用。

可见，开发一种制备过程中体积变化小且循环性能稳定的复合锂金属电极对于锂离子电池的发展具有积极的意义。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种复合锂金属电极，以解决现有技术中锂金属电极制备过程中因体积变化较大而导致其循环性能不稳定的问题。

为解决上述技术问题，本发明所述的一种制备复合锂金属电极的方法，包括如下步骤：