[发明专利]一种具有亲疏锂梯度结构的锂金属复合负极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有亲疏锂梯度结构的锂金属复合负极及其制备方法，为三层结构：底层为3D多孔基体骨架，中间层为复合在3D多孔骨架上的亲锂层，顶层为复合在亲锂层表面的疏锂层。包括（1）制取3D多孔基体骨架，清洗；（2）将3D多孔基体骨架转移至配制好的前驱体溶液；（3）采用溶剂热的方法使得3D多孔基体骨架上原位形成一层亲锂层；（4）在亲锂层上修饰一层疏锂层；（5）最后采用电沉积的方法填充锂即得。本发明利用亲锂层可以降低锂金属成核和沉积过程中的过电位，同时利用疏锂层促进锂离子扩散的特点，实现了锂金属持续循环过程中均匀的沉积和溶解，有效避免枝晶的生长，大幅度提高锂金属电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种具有亲疏锂梯度结构的锂金属复合负极和锂金属电池。

背景技术

在现有的商业化二次电池中，锂离子电池由于能量密度大、安全性能好、充放电寿命长和自放电低等优点，已广泛应用于我们的生活中，如移动电话、便携式计算机、摄影机，电动汽车等。然而，随着数码产品的不断更新和电动交通工具的蓬勃发展，对电池容量的要求越来越高。可是目前商用的锂离子电池负极材料大多为碳材料，使得锂离子电池整体容量很难得到提升，选择具有更高理论比容量的负极材料代替碳材料成为必然的发展趋势。

锂金属具有较高的理论比容量（3860 mAh g^-1）和最低电极电位（-3.04 V相对于标准氢电极），采用锂金属作为电池的负极可以很好的解决能量密度的问题。即便如此，锂金属负极给锂金属电池带来的稳定性和安全性的问题，使得锂金属电池目前尚难满足实际使用的需求。具体问题包括：1）锂金属与电解液直接接触，容易发生一些复杂的副反应，增加了电池的界面阻抗，影响了电池的循环效率；2）在循环过程中锂离子不能均匀、致密地沉积于锂负极表面，由此导致体积膨胀和电极的粉化；3）锂负极表面形成的不稳定的SEI膜反复的破裂与再生会持续消耗电解液，导致低库伦效率降低和不可逆的容量衰减；4）锂枝晶的产生会刺穿隔膜，导致电池短路和安全隐患。

因此，采取一定的策略来优化锂金属负极，改善锂金属电池的安全性和提高稳定性，有助于推进锂金属电池实用化进程。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的首要目的在于克服现在锂金属负极的技术难题，提供一种可以解决锂金属沉积问题的具有亲疏锂梯度结构的锂金属复合负极。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有亲疏锂梯度结构的锂金属复合负极，为三层结构：底层为3D多孔基体骨架，中间层为复合在3D多孔骨架上的亲锂层，顶层为复合在亲锂层表面的疏锂层。

具有亲疏锂梯度结构的锂金属复合负极可以和锂片组装成电池，以合适的电流密度进行填充锂，得到的具有亲疏锂结构的锂金属复合负极。合适的电流密度范围为0.5~3mA cm^-2。

亲锂层，这类材料的导电性不足，过高的载量会增加电池的电阻，影响电池的充放电效率。合适的载量可以通过调整前驱体溶液浓度和反应时间控制，得到合适的亲锂层厚度。

所述的“亲锂”层，易于与锂离子发生化学反应，降低锂离子在3D多孔基体骨架上的成核过电势。亲锂材料，往往导电性不是特别好，载量过多会增加电池的电阻，影响电池的充放电效率。优选地，亲锂层的厚度为0.5~4 um。厚度可以通过前驱体溶液浓度和反应时间控制。

疏锂层，对于一些导电性差的高分子材料，过高的载量会增加电池界面阻抗，较大影响电池性能。合适的疏锂层厚度可以通过前驱体溶液的浓度调节。

疏锂层：1）具有一定的憎锂特性，与金属锂不亲和；2）物理和化学性质稳定，不溶解于电解质溶液，不与电解质发生反应；3）具有一定的机械强度和韧性；4）具有良好的离子传导性。