[发明专利]一种利用天然煤粉制备空气稳定锂金属负极的方法

说明书

本发明涉及一种利用天然煤粉制备空气稳定的锂金属负极的方法，它包括以下步骤：（a）将煤粉干燥后置于真空条件下以除去氧气得除氧煤粉；（b）使金属锂转化成熔融锂，向所述熔融锂中加入所述除氧煤粉，搅拌、混合后进行反应得煤粉‑锂混合物；（c）将所述煤粉‑锂混合物冷却至室温即可。利用煤粉来合成空气稳定的金属锂负极，将煤与锂充分混合反应，利用煤的优势大大提高金属锂在空气中的稳定性，从而有利于锂离子电池的推广。

技术领域

本发明属于电池材料领域，涉及一种空气稳定的锂金属负极材料，具体涉及一种利用天然煤粉制备空气稳定锂金属负极的方法。

背景技术

随着科技的不断发展，商业化锂离子电池已经对我们的日常生活产生了深远的影响。但由于锂电池固有的限制，使现有商业锂电池组难以满足便携式电子设备，电动汽车和电网规模储能系统在发展过程中对高能量密度存储电池不断增长的需求。经过几十年的发展，石墨化碳、硅基材料、锡基材料等成为了时下最常见的锂离子电池负极材料。

为了进一步提升可充电电池的容量、稳定性和循环寿命，锂金属作为锂离子电池的“圣杯级”负极材料，将成为下一代高能量电池的首选。锂金属不仅可以被应用于锂空气、锂硫等高能量密度体系中，也可以与锂离子正极材料配对实现二次电池能量密度的大幅度提升。但是，由于金属锂表面凹凸不平，电沉积速率差异造成沉积不均匀，导致在负极产生锂枝晶；锂枝晶不仅会与电解液发生不可逆反应，形成极度不稳定的电极/电解液界面，快速损耗电池容量和增加电池内阻，还可能刺穿隔膜，造成电池短路。锂金属难以应用的另一个问题是对潮湿气氛的敏感性；空气中的水分子会严重腐蚀锂金属表面，产生严重的副反应，降低安全性，导致电池的生产成本急剧增加，对生成工艺的要求极高。如何提高金属锂负极在空气中的稳定性面临重大的挑战。

煤作为重要的能源资源，主要用于燃烧生产电力和供热，也可用于工业用途，例如精炼金属，生产化肥或其他化工产品。煤主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成。深入了解褐煤的化学结构特征，我们发现煤是一种有机大分子结构，它富含苯环基团、脂环烃、醚键、稠环芳香烃等疏水基团，因此煤具有很强的疏水性，能够有效的排斥空气中的水分。同时煤表面含有少量的极性官能团，能够提高煤在熔融锂当中的湿润性，促进煤与锂的充分混合。如果能够充分利用煤优势，将煤与锂充分混合，将能大大提高金属锂在空气中的稳定性，从而有利于锂离子电池的推广。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种利用天然煤粉制备空气稳定锂金属负极的方法，从而提高锂金属负极在空气中的稳定性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用天然煤粉制备空气稳定锂金属负极的方法，它包括以下步骤：

(a)将煤粉干燥后置于真空条件下以除去氧气得除氧煤粉；

(b)使金属锂转化成熔融锂，向所述熔融锂中加入所述除氧煤粉，搅拌、混合后进行反应得煤粉-锂混合物；所述除氧煤粉和所述金属锂的质量比为1：1～10；煤过多就会混合不均匀，浮在熔融锂表面；

(c)将所述煤粉-锂混合物冷却至室温即可。

优化地，步骤(a)中，所述煤粉是将煤块进行球磨制得，所述球磨的转速为400～1000rpm、时间为1～5h；具体采用常规的行星式球磨机即可。

进一步地，步骤(a)中，所述煤粉经过干燥处理后置于真空条件下，所述干燥处理的温度为80～150℃、时间为15～30h。

优化地，步骤(b)中，将所述金属锂置于容器里熔化成液态熔融锂。可选地，所述容器通常为钛制烧杯。可选地，步骤(b)中，通常在250～350℃将所述金属锂转化成熔融锂。可选地，步骤(b)在氩气保护的手套箱中进行，所述手套箱中H₂O的浓度＜0.1ppm，O₂的浓度＜0.1ppm。

优化地，步骤(b)中，混合均匀后进行保温或升温反应3～10h。