[发明专利]一种锂-异种金属复合负极材料及其制备方法

说明书

一种锂‑异种金属复合负极材料及其制备方法，属于电池负极材料技术领域。首先，将金属锂加热至200～800℃，使金属锂成为熔融状态；然后，将异种金属加入熔融状态的金属锂中，保温5～60min，混合均匀，形成熔融的合金；最后，将熔融合金冷却至室温，即可得到所述锂‑异种金属复合负极材料。该材料含有金属锂单质相，在作为锂电池负极材料使用时，金属锂单质相充当锂源。本发明提供了一种锂‑异种金属复合负极材料及其制备方法，简单可行，成本低，该负极材料应用于锂电池中能有效提高电池的库伦效率和循环寿命。

技术领域

本发明属于电池负极材料技术领域，具体涉及一种锂-异种金属复合负极材料及其制备方法。

背景技术

人们对电子设备、电动汽车等的电池能量密度要求越来越高，而金属锂负极由于具有高的比容量(3861mAh/g)、最低的电化学势(-3.04V)、较小的密度(0.534g/cm³)，而成为了最有前景的高能锂电池负极材料。目前，限制金属锂在高能电池中应用的主要问题是死锂和锂枝晶生长，其会导致库伦效率低、循环寿命短和安全性能差等严重问题。锂枝晶和死锂形成的主要原因是在循环过程中由于金属锂沉积不均匀增加了电极表面粗糙度，导致电流分布不均匀形成锂枝晶，同时沉积/溶解过程的体积变化会使固态电解质界面膜(SEI膜)持续破裂，造成SEI膜的不稳定，SEI膜的不稳定反过来又加速锂枝晶的生成速率。此外，锂细丝从电极表面脱离后会形成死锂，死锂的形成会导致锂源损失、库伦效率降低、容量衰减、稳定性下降以及安全问题等；同时由于锂枝晶的无限生长导致体积的变化，造成材料内部应力变化、界面波动和锂电极粉化，带来了额外的电解质消耗。

为了抑制锂枝晶的生长，目前通常从电解质、隔膜、表面修饰等方面进行改进。另外利用三维结构作为骨架结构，也能有效缓解金属锂负极充放电过程中的体积变化，进而抑制锂枝晶。然而，上述方法工艺复杂，不适合大规模生产和应用，目前急需一种简单有效的抑制锂枝晶的方法。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种锂-异种金属复合负极材料及其制备方法，有效解决了金属锂负极材料在电池循环过程中由于锂枝晶的生长带来的库伦效率低、寿命短等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种锂-异种金属复合负极材料，包括锂单质相与锂-异种金属合金相两相结构，其中，锂与异种金属的摩尔比为(1～100):1。

一种锂-异种金属复合负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将金属锂加热至200～800℃，使金属锂成为熔融状态；

步骤2、将异种金属加入步骤1得到的熔融状态的金属锂中，保温5～60min，混合均匀，形成熔融的合金；其中，所述异种金属为镁(Mg)、钙(Ca)、锌(Zn)、铟(In)、铝(Al)、锡(Sn)、硅(Si)、锶(Sr)、锑(Sb)、钡(Ba)、铅(Pb)、铋(Bi)中的至少一种，特征是可以与锂发生电化学合金化反应，得到的金属锂-异种金属负极材料具有两相结构，即金属锂单质相与锂-异种金属合金相；

金属锂处于熔融状态，其温度是低于异种金属的熔点温度；向熔融状态的金属锂中加入异种金属后，金属锂会起到助溶剂的作用，使得金属锂与异种金属在温度低于异种金属的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，金属锂与异种金属能够更快地形成熔融合金；当熔融温度适当降低时，两种金属也会以较慢的速度形成熔融合金。而本发明提出的200～800℃温度范围内，均可使得金属锂与异种金属熔融混合，形成熔融合金。

步骤3、将步骤2得到的熔融合金冷却至室温，即可得到所述锂-异种金属复合负极材料。在熔融合金的冷却过程中，异种金属和部分金属锂形成合金相(例如CaLi₂合金相)，多余的金属锂则以单质形式存在，且室温下，锂-异种金属内部形成了均匀的金属锂合金网络结构。这样的复合结构存在于电池负极材料之中，可以有效提高电池的性能。