[发明专利]一种骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池金属锂负极材料技术领域，具体涉及一种骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料及其制备方法和应用。该制备方法以含氧酸铁盐、聚乙烯吡咯烷酮和碳化的三聚氰胺海绵为原料，通过低温水热反应和高温碳化反应制备碳海绵基Fe₃C‑Fe₃P骨架，以含氧酸铝盐为铝源，与碳源进行高温碳热反应制得AlN超细颗粒；最后以碳海绵基Fe₃C‑Fe₃P骨架、AlN超细颗粒对金属锂进行非晶化改性得到产品。该方法增大了金属锂负极的内部缺陷，极大地抑制金属锂枝晶的生成。将该非晶化改性的金属锂作为锂离子电池的负极，能够显著增强锂离子电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

电化学二次电池是电网储能的方式之一。在众多的电化学储能技术中，锂离子电池以其能量密度高、循环寿命超长等优点受到青睐。但是随着锂离子电池在动力汽车上的大量使用，碳酸锂和过渡金属镍、钴等的成本必然会上升，因此容量更高、成本更低的金属锂成为锂电池材料的更佳选择。目前用金属锂商业化生产的锂电池多采用有机液体电解质，该电解质和电极材料在充放电过程中容易发生副反应，导致电池容量出现不可逆衰减；同时电池在长期服役过程中，有机液体电解质会出现挥发、干涸、泄漏等现象，严重影响电池寿命。另一方面，传统锂电池无法使用高能量密度的金属锂作为负极材料，在电池循环中，由于金属锂表面电流密度及锂离子分布不均匀等因素，金属锂电极反复溶解、沉积而形成不均匀的孔洞和枝晶。枝晶会刺穿隔膜接触正极，造成电池短路、热失控、着火爆炸等一系列安全隐患。相较于传统锂电池，固态锂电池的差异在于电解质固态化，其与传统锂电池一样，包括电池各单元(正极、负极、电解质)，其工作原理与传统锂电池的原理相同，虽然能避免液体电解质挥发、干涸、泄漏等现象，但仍会产生枝晶刺穿隔膜，降低电池的循环稳定性。

发明内容

针对金属锂电极可产生枝晶并导致锂离子电池循环稳定性不佳的问题，本发明提供一种骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料的制备方法。

以及，本发明还提供一种骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料。

以及，本发明还提供上述骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料在制备锂离子电池中的应用。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

一种骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、将含氧酸铁盐、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)在60～160℃条件下进行水热反应，将所得反应产物与碳化的三聚氰胺海绵在100～150℃反应制成前驱体，再将所述前驱体在600～900℃条件下进行碳化反应；

S2、以含氧酸铝盐为铝源，将所述铝源与碳源混合均匀，在1350～1650℃条件下进行碳热反应；

S3、将金属锂熔化，与S2所得产物混合成混合金属液，然后浇入置有S1所得产物的模具中，即得。

本发明的制备方法首先以含氧酸铁盐、聚乙烯吡咯烷酮和碳化的三聚氰胺海绵为原料，通过低温水热反应制得铁氮磷化物前驱体，再通过高温碳化反应制得碳海绵基碳化铁(Fe₃C)-磷化铁(Fe₃P)骨架(其微观形貌如图1所示)；然后以含氧酸铝盐为铝源，将其与碳源进行高温碳热反应，制备得到氮化铝(AlN)超细颗粒(其微观形貌如图2所示)；最后以碳海绵基Fe₃C-Fe₃P骨架为支撑、用AlN超细颗粒对金属锂进行非晶化改性，得到骨架支撑氮化铝非晶化改性锂负极材料。该制备方法的工艺流程图如图3所示。

所得材料中由于增加了AlN超细颗粒，因此内部缺陷增大，从而使金属锂枝晶在该锂负极材料内部生长，极大地抑制了金属锂枝晶在其外部的生成，对隔膜的影响随之降低，进而使锂离子电池的循环稳定性显著增强。