[发明专利]一种三维锂金属电极及其制备方法和锂金属电池

说明书

本申请属于锂金属电极技术领域。本申请提供了一种三维锂金属电极及其制备方法和锂金属电池，通过金属锂嵌入三维多孔支架中，能够有效降低局部电流密度，均匀化锂离子沉积，进而抑制锂枝晶的生长，降低锂离子沉积过电位。本申请的三维多孔支架是由前驱体材料以及金属箔构成，前驱体材料与金属箔相互渗透，形成锚定结构，能够容纳电池循环过程中的体积变化，进而提高库伦效率，极大地增加了锂金属电池的安全性。另外，金属锂嵌入到锚定结构的稳定三维多孔支架，有效避免了普通三维骨架在往复循环过程中易出现结构坍塌的问题，能够保持长时间的结构稳定，进而使得电池能够实现长时间的循环性能，提高锂金属电池的电化学性能。

技术领域

本申请属于锂金属电极技术领域，尤其涉及一种三维锂金属电极及其制备方法和锂金属电池。

背景技术

锂金属由于具有超高的理论比容量(3860mAh g^-1)，较低的体积密度(0.534g cm^-3)和最低的还原电位-3.04V(相对于标准氢电极)，被认为是最有前景的负极材料。然而，在电镀/剥离过程中，将锂金属箔片作为锂金属负极，由于避雷针效应，锂离子倾向于在凸起的地方沉积，导致电极表面逐渐形成锂枝晶，进而使枝晶锂暴露在电解液中，随着循环次数的增加，锂金属和电解液大量消耗，枝晶继续生长形成死锂。此外，由于锂金属的无寄主特性，导致电极在循环过程中发生巨大体积变化，造成电池循环库伦效率降低，甚至引起电池爆炸，严重阻碍了锂金属负极的实际应用。

针对上述问题，Pathak等通过创建一个由LiF,Sn和Sn-Li合金紧密地固定在Li表面的人工SEI，来消除锂枝晶和死锂，通过形成合金储存锂以及在合金下部电镀锂，从而达到抑制枝晶生长的目的。Kang等通过5个碳原子的羧酸与Li的原位自发反应制备了一层厚度为1μm的均匀的羧酸保护界面有机层，有效地限制Li的沉积，抑制枝晶的生长。这些技术手段虽然能够在一定程度上抑制枝晶生长，但是，依然无法适应无寄主锂金属负极在充放电循环过程中具大的体积变化。另外，普通三维骨架在往复循环过程中易造成结构坍塌的问题，导致循环性能不佳。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种三维锂金属负极及其制备方法和锂金属电池，使得锂金属负极能够适应在电镀剥离过程中巨大的体积改变，且能够保持长时间的结构稳定，提高锂金属电池的电化学性能。

本申请第一方面提供一种三维锂金属电极，包括三维多孔支架和金属锂，所述金属锂嵌入所述三维多孔支架中；

所述三维多孔支架包括前驱体材料以及金属箔。

优选的，所述前驱体材料为钙钛矿材料，所述金属箔为铜箔。

优选的，所述前驱体材料选自(La_0.6Sr_0.4)_0.95Co_0.2Fe_0.8O_3-δ或Ba_0.5Sr_0.5Co_0.2Fe_0.8O_3-δ，其中，0＜δ＜3。

优选的，所述前驱体材料的制备方法为：

将金属盐按摩尔比(La:Sr):(Co:Fe)＝(0.6:0.4)_0.95:(0.2:0.8)₁或(Ba:Sr):(Co:Fe)＝0.5:0.5:0.2:0.8加入到溶剂中，再加入聚合物基体，混合，得到所述前驱体材料。

优选的，所述金属盐与所述溶剂的用量比例为1mmol:(2～5)ml，所述金属盐与所述聚合物基体的质量比为1:(4～8)％。