[发明专利]一种柔性石墨烯基复合支架材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种柔性石墨烯基复合支架材料及其制备方法与应用。所述柔性石墨烯基复合支架材料包括支架基体和负载其表面的石墨烯基薄膜，所述石墨烯基薄膜的厚度为10‑900nm。制备方法为：将石墨烯基分散液通过浸渍的方式附着于支架基体表面，经干燥后可得。将该柔性石墨烯基复合支架材料作为柔性夹层置于金属锂负极与隔膜之间，组装成锂金属电池，可有效引导锂离子在负极表面沉积，抑制锂枝晶生长，提升锂金属负极循环稳定性，并提高电池使用寿命与安全性能。

技术领域

本发明涉及锂金属电池领域，具体涉及一种保护金属锂的柔性石墨烯基复合支架材料及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前商用锂离子电池的性能正接近极限，人们对高比能量电池的迫切需求使得发展金属锂负极愈发必要，金属锂被学者广泛认为是锂电池负极材料的终极选择。由于锂金属的化学活性极高，在使用过程中面临着众多挑战，如与电解液发生严重副反应，导致电解液的不可逆消耗，并逐步破坏锂负极/电解液之间的固态电解质界面SEI膜，引起锂金属的不断损耗；此外，在锂金属电池电化学循环过程中，由于大的极化和强电场作用，引起锂离子的非均匀沉积，形成严重锂枝晶形核与生长，降低电池的库仑效率和电池寿命，而当锂枝晶生长至刺穿隔膜，与正极接触时，电池内部短路，将造成严重的安全隐患。

针对金属锂的上述问题，目前可通过使用电解液添加剂原位生成SEI膜、人工制造SEI保护膜、使用三维宿主基底制备锂金属复合电极等方式提高金属锂负极稳定性，虽然这些措施在一定程序上起到抑制锂枝晶的作用，但由于制备工序复杂、成本昂贵、稳定性差等众多因素，导致锂金属负极的稳定性无法达到真正商业化应用要求。因此，一种简易高效地稳定锂金属负极，抑制锂枝晶生长的制备方法必不可少。

现有技术公开了一种石墨烯薄膜在锂金属电池负极中的应用、对称电池、全电池及制备方法，通过将石墨烯固体分散于溶剂中，利用粘结剂进行真空抽滤、干燥及辊压的方法，得到47至53微米的石墨烯薄膜，以其作为夹层，引入锂金属负极与隔膜之间，调控锂离子形核均匀性，延长电池寿命。发明人发现，该技术的缺点在于：关键性材料—石墨烯薄膜在制备过程中厚度为几十微米级，由于厚度较大，直接将其作为夹层使用，会在很大程度上增加电池内部阻抗，不利于锂离子快速传输，且该方法不易制得较薄的石墨烯膜。

现有技术中还公开了一种基于石墨烯的高性能复合锂金属负极及其制备方法，先经抽滤得到氧化石墨烯(GO)薄膜，在氩气下热还原得到还原氧化石墨烯(RGO)，然后将高温熔融态金属锂预嵌入RGO中，冷却后得到三维层状锂金属复合负极，其具有优异的循环稳定性、柔性等特点。发明人发现，该技术的缺点在于：基于石墨烯薄膜的三维复合锂金属负极，其制备方法较为复杂且结构不易保持，如GO抽滤制备过程中，由于GO表面丰富的官能团，抽滤过程极为缓慢；GO薄膜惰性气体下高温还原过程，容易引起RGO破裂不完整，薄膜柔性降低；最后在手套箱中高温嵌锂的过程，操作难度大。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种柔性石墨烯基复合支架材料及其制备方法与应用。本发明将石墨烯基分散液通过浸渍的方式附着于支架基体表面，经干燥后，作为柔性夹层置于金属锂负极与隔膜之间，组装成锂金属电池，可有效调控锂金属负极表面电场均匀分布、诱导锂离子在负极表面沉积，抑制锂枝晶生长，提升锂金属负极循环稳定性，并提高电池使用寿命与安全性能。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种柔性石墨烯基复合支架材料，包括：支架基体和负载其表面的石墨烯基薄膜，所述石墨烯基薄膜的厚度为10-900nm。

所述支架基体为无纺布、碳纳米管纤维布等柔性网状支架基底材料。