[发明专利]氮氧共掺杂碳包覆金属锂阳极活性材料、阳极、锂金属电池及其制备和应用

说明书

本发明属于锂金属电池领域，具体公开了一种氮氧共掺杂碳包覆金属锂阳极活性材料，其特征在于，包括碳空心球以及装填在碳空心球内部腔室的金属锂单质；所述的碳空心球的球壁材料为氮氧共掺杂的石墨化碳，且该球壁具有介孔结构。本发明还公开了包含所述氮氧共掺杂碳包覆金属锂阳极活性材料的锂金属阳极以及锂金属电池。本发明所述的氮氧共掺杂碳空心球可以有效的降低金属锂成核和沉积过程中过电位，提供均匀的成核和沉积位点，使金属锂在集流体中稳定均匀的生长，实现锂金属阳极在长循环过程中均匀的沉积和溶解。此外，稳定有序的碳骨架可以极大的减小循环过程中的体积膨胀，大幅度提高锂金属电池的循环寿命和安全性能。

技术领域

本发明属于锂金属电池技术领域，具体公开了一种锂金属电池的活性材料。

背景技术

目前，锂离子电池在先进便携式电子产品、电动汽车以及储能电站方面得到了广泛的应用，随着对电池能量密度要求的日益提高，开发高比能二次电池已经成为近年来的研究热点。锂金属阳极具有高达3860mA/cm²的理论比容量和-3.045V(相对于标准氢电极)的电极电势，是誉为“圣杯”级锂阳极材料，但是，锂阳极在反复循环过程中出现的枝晶、高体积效应等问题，导致其库伦效率低，循环性能差；而且锂枝晶的生长可能会刺穿隔膜导致短路，引起严重的安全问题。

针对锂金属阳极的可充性问题，特别是枝晶生长问题，近年来研究者们提出了多种方法来改善锂阳极性能，大致上可以分为：(1)通过在锂阳极表面构造人造SEI膜或使用电解液添加剂；(2)采用无机或有机全固态电解质；(3)采用高浓度电解液；(4)采用3D集流体作为金属锂的沉积基底。从电化学的角度看，采用3D集流体可降低电池中的实际局部电流密度，有效抑制锂锂枝晶的产生，此外，3D集流体的结构可有效缓解锂阳极溶解沉积过程中造成的体积膨胀。但是3D集流体较高的比表面积也导致了大量的副反应的发生，因此使得锂阳极的库伦效率仍难以提高。因此，解决锂枝晶问题、提高锂阳极库伦效率和体积效应问题是推动锂阳极或锂金属电池走向产业化的必由之路。

发明内容

针对目前金属锂阳极存在的枝晶、低库伦效率、循环性差等问题，本发明第一目的在于，提供一种氮氧共掺杂碳包覆金属锂阳极活性材料，旨在改善锂阳极的稳定性，提升其电学表现。

本发明第二目的在于，提供一种所述的氮氧共掺杂碳包覆金属锂阳极活性材料的制备方法。

本发明第三目的在于，提供一种添加有所述的氮氧共掺杂碳包覆金属锂阳极活性材料的金属锂阳极。

本发明第四目的在于，提供装配有所述的金属锂阳极的锂金属电池。

锂金属电池不同于锂离子电池，其作用机制存在本质不同，例如，金属锂电池阳极在电池中的作用机制是金属锂的沉积和溶解，其基本反应式为：充电:Li⁺+e＝Li；放电:Li-e＝Li⁺；而常规的锂离子电池的阳极发生的是锂离子在石墨阳极中的嵌入和脱出。锂金属电池和锂离子电池的作用机理的不同，其对材料的要求也存在本质的不同。

锂金属电池虽理论上具有更优的放电比容量，但是也存在很多问题，金属锂阳极高的活性导致其极易空气中的氮气，氧气，二氧化碳，水蒸气等反应；这些不可逆的反应给锂电池的制备带来了极大的安全隐患。同时，其也不可避免与电解液中的溶剂，添加剂持续反应，在锂沉积/溶解的过程中导致锂金属表面SEI膜的不断破坏和重新成，最终导致低的库伦效率和不可控制锂枝晶的生长。为此，本发明人通过广泛研究，提供了以下技术方案：

一种氮氧共掺杂碳包覆金属锂阳极活性材料，其包括碳空心球以及装填在碳空心球内部腔室的金属锂单质；所述的碳空心球的球壁材料为氮氧共掺杂的石墨化碳，且该球壁具有介孔结构。