[发明专利]一种以三维导电碳材料为基底的有机亲锂复合负极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种以三维导电碳材料为基底的有机亲锂层复合负极，首先将三维导电碳材料进行表面氧化改性处理；然后将改性后的三维碳材料与四氨基酞菁进行酰胺化反应，将四氨基酞菁修饰于碳材料的表面；最后在保护气氛下进行高温熔融锂沉积，制得有机亲锂层复合负极。本发明通过对锂金属电池负极材料进行多尺度设计，在锂的沉积基底材料上制造丰富的亲锂活性位点，利用亲锂基团分散界面锂离子流，引导Lisupgt;+/supgt;的均匀沉积/溶解，有效抑制锂枝晶生长，同时降低循环过程中由于体积效应引起的结构应力变化，有效改善锂金属负极的安全性和循环性能。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种以三维导电碳材料为基底的有机亲锂复合负极及其制备方法。

背景技术

随着电动汽车、储能设备的快速发展，人们对于锂电池的续航里程和安全性的要求也越来越高，对于具有高能量密度、优异电化学性能锂电池的研究更具现实意义。在众多的锂电池负极材料中，金属锂由于其低密度(0.534g cm^-3)，高理论比容量(3860mAh g^-1)和低电势(-3.04V，相对于标准氢电极)被认为是最理想的锂电池负极材料。锂金属是一种碱性金属，其离子半径是所有金属中最小的，这一特性使其具有优良的电荷传输动力学；另外，锂金属电位最低，具有很高的反应活性。因此，锂金属电池受到学术界和产业界越来越多的关注。然而，锂金属电池在实际应用中却面临着很大挑战，锂与电解液接触时，在其表面会形成一层固体电解质界面膜(SEI)，在锂的沉积/溶解过程中巨大的体积变化会使SEI膜反复破裂，造成SEI膜的不稳定，从而影响电池的循环效率；其次，金属锂在电解液中倾向于以枝晶状的形态沉积，当锂枝晶生长到一定程度时可能刺穿隔膜导致电池内部短路，甚至会引起爆炸。此外，锂枝晶的断裂也会导致失去电接触的“死锂”的生成，从而导致锂源损失、库伦效率降低、容量衰减、稳定性下降等系列问题。

为解决上述问题，构建稳定的人工SEI膜、优化电解液、隔膜改性设计及均匀Li⁺流负极结构设计等方法被广泛研究。构建人工SEI膜，不仅需要所制备的SEI膜具有足够强的韧性，能够适应锂沉积时产生的应力，而且要求所制备膜层各处均匀且致密以防止Li⁺的不均匀沉积，目前这类方法制备工艺复杂，操作较为繁琐；优化电解液策略则是通过引入必要添加剂，加强SEI膜的均匀性和稳定性，但过多的添加物，造成金属锂负极的负担，使其比容量降低，并且溶剂化效应会使副反应增多，不利于Li⁺的均匀沉积。隔膜作为电池不可或缺的组分，通过改良其亲水性和对极性电解液的润湿性，可改善Li⁺浓度分布，但是隔膜改性导致的离子电导率和机械强度等问题有待更深入研究和解决。均匀Li⁺流负极结构设计是通过增加锂负极与电解液的接触面积，降低电流密度，从而使Li⁺分布更加均匀的一种常用方法，但由于其所用的锂沉积基底材料储锂容量较低，难以实用化。虽然上述策略在解决锂枝晶问题和引导Li⁺均匀沉积方面均起到一定作用，但这些方法距离商业化的锂电池要求还有不少差距。因此，通过对锂沉积基底材料进行表面亲锂性设计，有效引导Li⁺的均匀沉积，对缓解锂负极体积变化和抑制枝晶生长，实现长寿命的锂金属电池至关重要。

综上所述，以金属锂为负极的锂电池在未来能源发展中具有广阔的应用前景，进一步设计一种能诱导锂离子均匀沉积、有效抑制枝晶生长，同时改善体积效应的亲锂性负极材料，对于发展高比能、高安全和长寿命的锂电池体系具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种以三维导电碳材料为基底的有机亲锂复合负极及其制备方法，旨在利用均匀生长在三维导电碳材料上的亲锂性基团诱导锂离子均匀沉积，并以三维导电碳材料作为锂沉积的基底材料，提供足够的锂容纳空间，导电框架亦可促进电子的快速传导，降低电流密度；同时利用亲锂基团和导电框架的协同作用有效抑制枝晶生长，并改善循环过程中的体积效应，进而提升亲锂复合材料作为锂电池负极的循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：