[发明专利]石墨烯薄膜在锂金属电池负极中的应用、对称电池、全电池及制备方法

说明书

本发明提供了石墨烯薄膜在锂金属电池负极中的应用、对称电池、全电池及制备方法，属于锂金属电池领域。本发明引入石墨烯薄膜作为夹层，以达到调控Li金属和有机电解液界面以及抑制枝晶生长的目的，简单有效地打造了能够安全稳定循环的锂金属负极，石墨烯薄膜夹层可调控Li⁺均匀沉积形核，稳定电池循环，延长电池寿命。本发明提供的锂金属电池电极可在1mA/cm²，1mAh/cm²下稳定循环500h以上，寿命远大于裸锂电极，在大电流(10mA/cm²)下也可以实现长寿命循环，且循环前后均具有更小的界面阻抗，具有更好的界面稳定性和更快的电荷转移速率，在正极为磷酸铁锂、钴酸锂、空气电极的全电池中均有很好的表现。

技术领域

本发明涉及锂金属电池技术领域，尤其涉及一种石墨烯薄膜在锂金属电池负极中的应用、对称电池、全电池及制备方法。

背景技术

锂离子电池(LIBs)是使用最广泛的储能设备，对我们的日常生活产生了很大的影响。但是石墨负极的理论容量只有372mAh·g^-1，这极大地限制了LIBs在高能量存储领域的应用。金属锂负极以其十倍于传统石墨负极的理论容量(3860mAh·g^-1)和最负的电势(-3.045V)，使得锂金属电池(LMBs)成为下一代储能设备中最有希望的候选者。但是，由于锂金属存在枝晶生长、高反应性、无限的体积变化，锂金属负极在循环充放电的过程中会引起严重的安全问题和较差的循环性能。这些问题限制了LMBs的商业应用。科学家们对此提出许多改性方法，包括电解液添加剂，人造SEI膜，固态电解质，结构化负极等，这些方法在一定程度上抑制了枝晶生长，但是仍然存在枝晶生长的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨烯薄膜在锂金属电池负极中的应用、对称电池、全电池及制备方法。本发明将石墨烯薄膜应用在锂金属电池负极中，具有调控Li金属和有机电解液界面以及抑制枝晶生长的目的，能够简单有效地打造安全、稳定循环的锂金属负极。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了石墨烯薄膜在锂金属电池负极中的应用，所述石墨烯薄膜作为夹层引入锂负极和隔膜之间。

本发明还提供了一种对称电池，依次包括负极电池壳、弹片、垫片、第一锂片、第一石墨烯薄膜、Celgard膜、电解质、第二石墨烯薄膜、第二锂片和正极电池壳，所述第一锂片与第一石墨烯薄膜面积相同，所述第二锂片与第二石墨烯薄膜面积相同。

优选地，所述第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜的厚度独立地为47～53μm。

优选地，所述电解质包括LiTFSI和有机溶剂，所述有机溶剂为1,3-二氧环戊烷和乙二醇二甲醚的混合溶液，所述电解质中LiTFSI的浓度为1mol/L。

本发明还提供了上述技术方案所述对称电池的制备方法，包括以下步骤：

在手套箱中，依次按照负极电池壳、弹片、垫片、第一锂片、第一石墨烯薄膜、Celgard膜、电解质、第二石墨烯薄膜、第二锂片和正极电池壳组装，得到对称电池。

优选地，所述石墨烯薄膜由包括以下步骤的方法得到：将石墨烯分散在异丙醇中，再加入纳米纤维粘结剂后进行真空过滤和真空干燥，随后将所得薄膜从基底上转移并辊压，得到所述石墨烯薄膜。

本发明还提供了一种全电池，依次包括负极电池壳、锂片、石墨烯薄膜、隔膜、电解质、正极和正极电池壳。

优选地，所述石墨烯薄膜的厚度为47～53μm。

优选地，当所述正极为LiFePO₄电极片或LiCoO₂电极片时，所述隔膜为Celgard膜；当所述正极为空气正极时，所述隔膜为玻璃纤维膜。