[发明专利]具有人工构建聚合物SEI膜的金属锂材料及其制备与应用

说明书

本发明涉及具有人工构建聚合物SEI膜的金属锂材料及其制备与应用，采用商业凯夫拉纤维作为原料，制得一种纯凯夫拉纳米纤维分散液，并将其涂敷在锂基材表面上，溶剂挥发后即形成一层聚合物人造SEI膜。本发明与其他锂金属的改性方法相比，由于原料来自于杜邦公司生产的芳纶纤维，生产技术成熟，可用于大规模生产聚合物人工SEI膜，制备方法简单；本发明构建的SEI膜强度高，并具有一定的柔韧性，且为具有丰富酰胺官能团的网状结构，在锂离子的嵌入/脱出过程中可以有效抑制锂枝晶的产生。

技术领域

本发明属于锂金属电池技术领域，涉及一种具有人工构建聚合物SEI膜的金属锂材料及其制备与应用。

背景技术

锂金属电池(锂-硫电池、锂-氧电池、固态电池)是常用的二次电池之一，能量密度较高，循环性能优异，是目前电动车车电池的主流选择。其常用的负极材料为石墨，理论容量较低，只有375mAh·g^-1，这极大地限制了以电动汽车为代表的电储能行业的发展。为了满足社会的需求，发展具有高能量密度的下一代二次电池迫在眉睫。

目前，金属Li负极在充放电循环过程中会有枝晶形成，锂枝晶穿透隔膜会造成电池内部短路，引发安全事故；锂枝晶还会与电解液反应形成新的SEI膜从而消耗电解液，并且放电时锂枝晶断裂会形成“死锂”，导致循环性能下降。不仅如此，在充放电循环过程中，金属Li还伴随着几乎是没有限制的体积膨胀，这也导致了表面SEI膜的极不稳定，更加重了金属Li枝晶的形成。这种因为枝晶形成而导致的无限体积膨胀极大地限制了金属Li负极的实际应用。

研究表明，电沉积金属锂相比其它金属更容易生长枝晶，主要是由于金属锂负极自发形成的SEI膜不稳定，从而导致循环稳定性问题。因此，解决金属锂负极的安全性和界面稳定性问题，是促使金属锂负极产业化的关键，也是本领域技术人员需要解决的问题。

公开号为CN110289448A的中国发明专利公开了一种具有人工构建SEI膜的金属锂负极，该方法构建的SEI膜强度高，且具有一定弹性，充放电过程中能随金属锂表面波动位移，使“界面间距”尽可能的缩小，从而防止锂枝晶产生。然而，该发明只是利用了物理性质(SEI膜的强度和弹性)去抑制锂枝晶，随着电池循环的进行，这种SEI膜会很快的破裂，从而锂枝晶会继续生长。本发明利用ANF丰富的酰胺键特性，采用一种简单的方法制备了网络层状结构的人工SEI膜，不但具有优异的机械强度和弹性性能，而且由于酰胺官能团的吸附作用，锂离子可以在分子水平上均匀快速流动，可以从根本上抑制锂枝晶和死锂的生长。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有人工构建聚合物SEI膜的金属锂材料及其制备与应用，利用酰胺聚合物人造SEI膜，明显改善了锂金属电池的枝晶生长和体积变化的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

具有人工构建聚合物SEI膜的金属锂材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)凯夫拉纳米纤维/二甲基亚砜分散液的制备：将凯夫拉纤维、氢氧化钾加入至无水二甲基亚砜中，充分分散后，得到凯夫拉纳米纤维/二甲基亚砜分散液；

2)纯凯夫拉纳米纤维分散液的制备：向凯夫拉纳米纤维/二甲基亚砜分散液中加入过量的水，生成絮状物，分离出絮状物后，将絮状物再次加入至无水二甲基亚砜中，充分分散后，得到纯凯夫拉纳米纤维分散液；

3)锂基材表面的涂敷：将纯凯夫拉纳米纤维分散液涂布在锂基材上，之后烘干二甲基亚砜，即得到具有人工构建聚合物SEI膜(ANF膜)的金属锂材料。

进一步地，步骤1)中，所述的凯夫拉纤维与氢氧化钾的质量比为1:(1.5-4)，每1g凯夫拉纤维加入至(100-1000)mL无水二甲基亚砜中。凯夫拉纤维为美国杜邦公司生产的芳纶纤维材料的品牌名，材料原名叫“聚对苯二甲酰对苯二胺”。凯夫拉纤维的种类优选为K29、K49或K49AP。