[发明专利]一种分级结构玻璃纤维与金属锂的复合物及其制备方法

说明书

本发明公开了一种分级结构玻璃纤维与金属锂的复合物及其制备方法，涉及电池负极的技术领域，其包括锂层，锂层内设置有玻璃纤维层，玻璃纤维层的底端完全包覆于锂层内、顶端裸露于锂层的外侧，玻璃纤维中、下表面设置有导电层、上端呈裸露状态，导电层具有亲锂性和电子电导性，玻璃纤维层裸露的顶端没有电子或离子电导性。沉积的锂离子只可以在复合电极的表面有修饰层的玻璃纤维上得到电子，无法在玻璃纤维最顶端得到电子，以不至于形成超过表面玻璃纤维厚度的锂枝晶和死锂，使得电极总体厚度可控且电池安全性高。玻璃纤维最顶端表面电子绝缘，在电池中贴合隔膜后不会导致电池短路。玻璃纤维下半部的金属锂则负责补充锂源，电池循环性能得到保障。

技术领域

本发明涉及锂电池负极的技术领域，更具体地说，它涉及一种分级结构玻璃纤维与金属锂的复合物及其制备方法。

背景技术

相比于目前商业应用于锂离子电池中的石墨负极，锂金属负极理论上可以提供更多的容量(3860mAh/g，石墨负极：372mAh/g)和最负的电势(-3 .040V vs .标准氢电极)，有望在下一代便携式电子设备以及电动汽车等领域实现较大的应用。以金属锂为负极的锂硫电池和锂空电池逐渐受到研究人员的关注，成为近年来学术和产业界研究的热点。但是，锂金属负极的研究还存在许多问题，其中最重要的一个便是枝晶的生长。枝晶是由于锂离子在负极多次沉积/析出过程中，负极出现的树枝状的锂沉积物。

枝晶生长会带来三个方面的问题：(1) 枝晶会刺穿隔膜导致电池短路，正负极内部的短路电流在电池内部生热，造成电池系统热失控，进而引发电池着火甚至爆炸等一系列安全问题；(2) 枝晶会增加电解液与金属锂的副反应，消耗锂活性物质，降低电池利用率；(3)在沉积/剥离锂时，对于薄金属锂负极有较大的体积形变，这使得电池负极整体处于不可控的动态变化中，会造成电池循环能力下降。

具体来讲，当正极材料含有锂离子时，负极金属锂仅作为补充锂源用，并不发生如锂离子电池负极中的插入层间或固溶过程。但是，仍然会在金属锂表面的不均匀处、电解液自由扩散导致的浓度不均处产生锂枝晶；在后续的溶解过程中，由于锂枝晶根部靠近集流体，更快失去电子成为锂离子（即更快溶解），使得上部将逐渐脱离传荷通道，生成死锂。消耗电解液，破坏SEI膜。

为了抑制枝晶生长，提高锂金属电池的安全性、利用率和循环寿命，在过去的半个世纪里，科学家提出多种基于锂负极骨架的解决方案，主要包括构造金属锂表面骨架和构造金属锂内部骨架两个方向。

如中国专利CN105845891A公开的一种在锂表面构造非原位(人造)固态电解质界面膜的方法。其金属锂负极由底层的金属锂层及上层的表面覆盖层构成，所述表面覆盖层为碳材料、聚合物材料和玻璃纤维中的一种或几种。该金属锂负极在20～5000次电池循环中保持锂金属负极没有枝晶出现；该金属锂负极可以将锂金属负极的利用率提高至80％以上。

如中国专利CN108365200A所提出的一种复合锂金属负极的制备方法，该方法可以使常见的各种骨架材料(包含导电骨架材料和绝缘骨架材料)通过改性后与液态金属锂实现高效复合，获得含有预置高纯金属锂的复合锂金属负极材料。所获得的复合锂金属电池负极材料装配到锂金属全电池中时，可有效抑制锂枝晶生长，减少锂金属负极的粉化现象，大幅提高锂金属电池的循环稳定性、安全性、循环寿命。

如中国专利CN108281612A所公开的一种复合锂金属负极，包括锂金属和功能性三维骨架，所述的功能性三维骨架由骨架件互相穿插、交织形成带有空隙或空腔的结构，所述的空隙或空腔中填充锂金属；所述的功能性三维骨架的厚度为1nm～500μm。本发明制备得到的复合锂金属负极，其功能性三维骨架表面丰富的官能基团结构可以很好地在负极的三维空间内对锂离子和阴离子特异性识别与结合，从而实现界面处锂离子和阴离子的平衡，防止了电场驱动下的离子浓差梯度，起到在反复充放电过程中有效调节负极离子分布的作用，可以实现界面处无枝晶生长，有效提高锂金属负极的库伦效率、安全性及循环寿命。