[发明专利]一种具有刚性-弹性界面层的锂金属及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种具有刚性‑弹性界面层的锂金属及其制备方法和应用，属于锂金属电池领域。本发明通过在锂金属表面原位电化学沉积二烯丙基二硫醚(DADS)形成无机‑聚合物结构，使得锂金属同时具备刚性‑弹性界面层。其中的聚合物网络提高了界面层的弹性和韧性，形成的无机单元可以提供较高的机械强度来抵抗锂枝晶的破坏。因此，该界面层不仅可以抑制锂枝晶的形成，还使得锂的沉积/剥离行为可以更快速和更稳定的进行。

技术领域

本发明属于锂金属电池领域，具体涉及一种具有刚性-弹性界面层的锂金属负极及其制备方法和应用。

背景技术

锂金属因其具有理论容量大(3860mAh g^-1)、还原电位低(-3.04V/标准氢电极)、重量密度低(0.534g cm^-3)等特点，成为了下一代充电电池不可替代的负极材料。然而，要将其应用于实际，还需要解决两个根本性的挑战：(1)锂金属与有机电解质之间的高活性以及不可逆反应，会导致电池库仑效率低、循环寿命短；(2)无规律的锂沉积/剥离行为会导致锂枝晶的产生，虽然在首次循环过程中会在负极表面形成固体电解质界面(SEI)，但其不稳定、易碎的特性使 SEI反复断裂和再生，导致液态电解质和锂的不断消耗；此外，形成的锂枝晶可能穿透隔膜，形成短路，造成严重的火灾和爆炸安全隐患。目前常用的保护策略是在锂金属表面覆盖一层保护层。然而，大多数采用物理或化学预处理的方法制备的锂金属的界面层离子电导率有限，电解质与电极之间连接不良；此外，传统的界面层表现出单一的特性，要么太硬而导致界面层易碎，要么太软而不能抑制枝晶生长，因此不能维持锂金属电池的长期稳定循环。

理想的锂金属负极的界面保护层应该具备以下基本特点：(1)在电解液中化学/电化学稳定；(2)快速的锂离子扩散速率，保证锂离子的快速均匀沉积；(3)机械强度高，能够抑制锂枝晶生长；(4)与电解质和电极都具有良好的相容性。因此，提供一种新的锂金属负极保护层，既具有足够的机械性能，又能利于锂沉积/剥离行为的快速进行，具有重要意义。

发明内容

针对背景技术所存在现有锂金属负极保护层不能同时兼具有较好的机械性能和较优的电化学性能的问题，本发明的目的在于提供一种具有刚性-弹性界面层的锂金属负极及其制备方法和应用，通过原位电化学方法将二烯丙基二硫醚(DADS)在锂表面电化学沉积，并形成无机-聚合物结构形成，使得锂金属同时具备刚性和弹性界面层。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有刚性-弹性界面层的锂金属的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.将锂盐、有机溶剂和二烯丙基二硫醚混合，配制得到溶液A，其中，所述二烯丙基二硫醚在电解液中的含量为5wt％～20wt％；

步骤2.以金属锂作为电极，步骤1所述溶液A为电解液，组装形成锂对称电池；

步骤3.对步骤2得到的锂对称电池进行充电沉积，沉积结束后拆解电池，取出锂电极，并使用1,3-二氧戊环反复冲洗，即可得到所述具有刚性-弹性界面层的锂金属。

进一步地，步骤1所述锂盐为二(三氟甲基磺酸)亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂(Li FSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、双草酸硼酸锂(LiBOB)和六氟磷酸锂(LiPF₆)等中的一种；所述有机溶剂为1,3-二氧戊环(DOL)、乙二醇二甲醚(DME)、四乙二醇二甲醚(TETRAGLYME)、三乙二醇二甲醚(TRIGLYME)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸乙烯酯(EC)中的一种或几种。

进一步地，步骤1所述二烯丙基二硫醚在溶液A中的含量优选为5wt％、10wt％或20wt％。

进一步地，步骤1所述锂盐在溶液A中的浓度为1mol/L。

进一步地，步骤2所述电解液的含量为10～50μL。