[发明专利]一种锂碳复合材料、锂电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂碳复合材料、锂电池及其制备方法；复合材料制备时利用蒸镀金属改性碳材料亲锂性，实现锂碳复合的方法；具体为将亲锂性的金属蒸镀于三维碳材料上，再通过热注入法实现锂碳复合。本发明的目的是为了解决充放电后金属锂不均匀沉积导致的金属锂表面粗糙化及枝晶生长问题。本发明以碳材料作为三维导电框架，能有效降低电流密度，减小电池极化；蒸镀亲锂金属，诱导锂离子均匀沉积，形成平整表面，抑制枝晶生长。采用本发明中的锂碳复合材料制备的例电池，安全性能大大提高。

技术领域

本发明属于锂电池材料技术领域，具体涉及一种锂碳复合材料、锂电池及其制备方法。

背景技术

自21世纪以来，可移动类电子信息类产品发展迅猛，对储能电池的容量要求日趋严苛，传统的锂离子电池能量密度接近上限，难以满足3C产品需求。金属锂负极因其超高的比容量3860mAh/g和最低的还原电势-3.04V(vs.SHE)得到了广泛关注。然而，金属锂负极至今难以应用于实际，主要原因是其电池循环过程中有枝晶生长以及库伦效率低的问题：一方面锂离子沉积受电流密度大小影响巨大，电流越大，锂离子沉积过快，越利于枝晶生长，待其刺穿隔膜使电池发生内短路，有电池燃烧爆炸的危险；另一方面，锂金属有较强的化学活性，会不断与电解液发生副反应，造成低的库伦效率。许多研究组围绕此问题提出了诸多解决方案，包括金属锂与其他金属合金化、原子层沉积、电解液改性等。但这些改性方法无法解决在大电流作用下长循环及实现锂离子均匀沉积的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决金属锂负极在大电流密度作用下极化大所造成的不均匀沉积和枝晶生长而引发的循环周期短、库伦效率低的问题。因此，本发明提供了一种一种锂碳复合材料的制备方法，利用三维导电碳框架能有效降低电流密度，亲锂金属更利于锂离子的均匀沉积，形成均匀表面，抑制枝晶生长，保持较高的库伦效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种锂碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将碳材料制成碳纸；

S2：在碳纸表面蒸镀亲锂金属；

S3：将镀金属后的碳纸贴于熔融金属锂上，热注入金属锂形成锂碳复合物。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，碳材料为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、碳纤维、石墨烯、乙炔黑、super P和活性炭中的至少一种。

进一步，S1中碳纸的制备包括以下步骤：将碳材料加入到表面活性剂溶液中并超声分散1～3h，然后将混合溶液抽滤成纸片状，在真空烘箱内烘干后剥离得碳纸。

进一步，碳纸中碳含量为2.5～5mg/cm²。

进一步，面活性剂为曲拉通、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵。

进一步，亲锂金属为金、银、铝、镁、锌、钙、锡和铟中的至少一种。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用抽滤法制备的导电三维碳框架无需粘接剂粘合，更有利于电子的输运，导电能力更出色，同时三维结构能有效减小电流密度，且更有利于锂离子穿梭，降低电池极化。

(2)本发明蒸镀亲锂金属除了改性导电三维碳框架为亲锂性外，在锂离子沉积过程中还起到诱导形核生长的作用，使锂离子沉积更为均匀致密，抑制枝晶的生长。

(3)本发明通过控制蒸镀亲锂金属的量来控制形核位点。

(4)本发明改性方法简单，合成制备出的锂碳负极复合材料能有效改善锂电池的循环稳定性和提高电池的库伦效率。

附图说明