[发明专利]一种金属锂合金负极的制备装置及方法

说明书

本发明公开了一种金属锂复合负极的制备装置及方法，所述装置包括加热容器、轧辊机和氮气反应容器，所述加热容器内部设置有石墨电极，所述石墨电极与加热容器分别通过导线连接有外部电源；所述加热容器与所述轧辊机通过管道连接，所述氮气反应容器设置在所述轧辊机的末端。本发明提供的制备装置及方法制备出的复合金属锂合金负极材料的循环性能得到了显著提升，同时抑制了锂枝晶的生成，大大提升了电池的安全性。

技术领域

本发明涉及金属锂电池技术领域，具体涉及一种金属锂合金负极的制备装置及方法。

背景技术

随着科技的不断发展，对于高能量密度电源的需求越来越高，目前理论上可以提供高能量密度的电池包括锂空气电池、锂硫电池和金属锂电池，被认为是最具前景的下一代高比能电池。金属锂负极以极高的理论比容量(3860mAh·g-1)和极负的电势(-3.040Vvs标准氢电极)被认为是最具潜力的负极材料。然而，金属锂负极的大规模应用仍然存在着很多的问题：1、充放电过程中，因为金属锂负极的高活性和锂离子的不均匀沉积，导致表面极易生长出锂枝晶，从而刺穿隔膜造成短路引发热失控，带来严重的安全事故，同时枝晶断裂后形成的“死锂”会降低库伦效率，充放电过程中金属锂自身无骨架的特性会产生巨大的体积变化导致负极结构的不稳定，导致材料粉化，从而缩短电池的使用寿命。同时由于金属锂的强度低，硬度低，且具有粘连性，导致其加工难度较大，这些问题极大地限制了锂负极的实际应用。

近年来，科研工作者从多方面去解决金属锂负极面临的一系列问题，其中包括：电解液成分优化、金属锂表面保护膜、人造SEI、构建三维结构负极等方法，电解液成分优化会显著增加电池成本，电解液添加剂的消耗也只能延缓锂枝晶的生成，表面保护层的难点在于大规模工业化的均匀界面层制备、引入新的界面会导致电池阻抗的增加和能量密度的降低，三维纳米结构负极需要的制备方法和工艺都相对较难，工业化生产具有较大挑战。因此，易于制备的三维结构金属锂负极且能够抑制锂枝晶形成的材料是金属锂电池走向实用化的关键。锂合金因为其可以对金属锂进行体相改性，形成锂合金三维骨架，形成良好的三维离子和电子电导网络，有助于金属锂的均匀沉积，抑制锂枝晶的形成，同时降低了充放电过程中的体积膨胀，有助于提升电池循环寿命。

专利CN201810110190.0公开了一种锂金属合金负极材料及其制备方法和应用，通过金属锂和合金化元素单质在惰性气氛下混合、熔融、搅拌均匀，然后冷却形成负极材料或将液态锂合金涂布在集流体表面快速冷却形成负极材料，负极材料能够抑制锂枝晶的生长，具有良好的循环性能和安全性能。专利CN201811167583.1公开了一种锂合金带材的制备方法，采用不与金属锂发生合金化反应的过渡金属熔融后形成金属锂单质填充于网状结构的过渡金属单质内部的合金，通过切割、辊压等方法将其制成自支撑的锂合金带材，通过与氮气反应形成表面保护层，解决加工过程中锂的粘连问题，抑制锂枝晶的生成，提升了锂电池的库伦效率和循环寿命。

目前，复合金属锂合金负极的制备工艺有两种：1、采用熔融、铸锭、冷却、轧制的方式进行，存在生产过程复杂，能耗高的缺点，同时在铸锭和冷却的过程中存在元素偏析，使得材料内部元素分布不均匀，用作金属锂电池负极，会导致金属锂在表面和内部的不均匀沉积，导致锂枝晶的生成，导致内部短路导致热失控，引发安全问题。金属锂合金负极虽然其活性相对纯金属锂有一定降低，但其在充放电过程中依然会与电解液发生副反应，生成“死锂”，导致锂的损失，降低电池的库伦效率，破坏电池的循环稳定性；2、通过磁控溅射，原子层沉积等方法制备锂合金，这些方法对于设备和工艺要求较高，不适用于大规模的工业应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金属锂复合负极的制备装置及制备方法，通过该方法制备出的复合金属锂合金负极材料的循环性能得到了显著提升，同时抑制了锂枝晶的生成，大大提升了电池的安全性。

为了达到上述技术效果，本发明提供了如下技术方案：