[发明专利]一种具有填充物的复合金属锂负极及其制备方法

说明书

本发明公开了属于二次电池技术领域的一种具有填充物的复合金属锂负极及其制备方法。本发明复合金属锂负极包括金属锂、骨架材料和填充物，所述填充物填充在骨架材料的孔结构内，填充物充满或不充满骨架材料的孔结构，金属锂通过辊压等加压方式与骨架材料结合。本发明提供的复合金属锂负极，其填充物可以调控金属锂在骨架材料大孔结构内的沉积行为，抑制在骨架材料中大孔结构中的锂枝晶生长，减缓体积膨胀效应，有效提高电池的循环性能。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，特别涉及一种具有填充物的复合金属锂负极及其制备方法。

背景技术

由于电动汽车和便携式电子设备的发展，当代社会对于高能量密度电池的需求越来越高。自从上个世纪九十年代以来，基于石墨负极的锂离子电池系统已经取得了巨大成功，但经过几十年的发展，锂离子电池的现有能量密度已经接近于其理论能量密度，相对较低的理论能量密度限制了其作为下一代便携式电源的进一步应用。相对于石墨负极，金属锂具有极高的比容量(3860mAh g^-1)和极低的还原电位(相对于标准氢电极为-3.040V)，被誉为下一代储能材料中的“圣杯”材料。然而不受控制的枝晶状、粉末状锂的产生以及在沉积脱除过程中锂负极产生的较大体积膨胀，对金属锂负极的实际应用起到了严重的阻碍作用。这些金属锂负极固有的缺点显著降低了电池的循环寿命，甚至导致灾难性的安全问题。

目前，已经有很多策略来解决金属锂负极中的这些问题，如通过在电解液中加入添加剂或引入“高盐电解质”来延长金属锂电池的寿命。然而，实用化电池的操作及测试要求在较高的电流密度和较大的循环容量下进行，无骨架的金属锂负极体积变化十分明显，很多策略难以达到预期的效果。三维(3D)骨架由于其独特的表面化学特性和互联通结构，可以很好的通过限制金属锂的沉积位置限制金属锂负极的体积膨胀抑制枝晶的生长。因此，具有3D骨架的复合金属锂负极被认为是解决金属锂体积变化和锂枝晶问题的有效途径。

近期，在金属锂3D骨架设计方面取得了巨大的进步。具有亲锂位点的3D骨架可以调节锂的成核和均匀沉积，例如空心碳纳米球，MXene，N掺杂石墨烯和富边缘结构的石墨烯等材料。然而，这些最初的无锂骨架不能直接与高能量密度的无锂正极材料(例如硫正极，氧正极和其他无锂正极)直接匹配。因此，人们提出了高温热熔法和电沉积法将金属锂填充到3D骨架的孔隙中以期制备最初含有锂的复合负极。但是这些方法既复杂又危险，而且还会产生大量的废物。因此，利用金属锂的延展性采用辊压的方式制备复合金属锂负极从而实现安全简易的批量制备越来越获得研究人员们的青睐。而满足辊压条件的骨架材料主要为大孔骨架材料，骨架中的大孔也给金属锂枝晶生长的提供空间，因此如何采用一定的手段抑制大孔骨架中金属锂枝晶的生长是目前亟待解决的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有填充物的复合金属锂负极及其制备方法，具体技术方案如下：

一种具有填充物的复合金属锂负极包括金属锂、骨架材料和填充物，所述填充物填充在骨架材料的孔结构内。

所述骨架材料的平均孔径≥100nm。

本发明填充物充满或不充满骨架材料的孔结构，填充物可以调控金属锂在骨架材料大孔结构内的沉积行为，抑制在骨架材料中大孔结构中的锂枝晶生长，减缓体积膨胀效应，有效提高电池的循环性能。

所述骨架材料包括铜网、泡沫铜、镍网、泡沫镍、碳纤维、二氧化硅纤维、静电纺丝有机高分子纤维、有机高分子材料碳化后的碳骨架中的一种或多种。

所述有机高分子材料为蔗糖、棉花、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚酰胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯中的一种或多种。

所述填充物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚酰胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯、硼化物、磷酸盐、氧化物如二氧化硅、氮化物、卤化物、碳化物、硫化物中的一种或多种。