[发明专利]一种高稳定性三维多孔锂金属阳极及其制备方法和应用

说明书

本发明一种高稳定性三维多孔锂金属阳极及其制备方法和应用，包括平板金属集流体、复合在平板金属集流体表面的活性层；所述的活性层包括胶黏剂以及分散胶黏剂中的Nisubgt;2/subgt;P纳米粒子和含磷官能团共掺杂的介孔碳，所述的介孔碳为具有内部连通孔结构的多孔碳骨架，连通孔形成的装填腔室内填充有金属锂。本发明的三维多孔锂金属阳极具有良好的导电性、丰富的腔体结构、均匀共掺杂的Nisubgt;2/subgt;P纳米粒子和含磷官能团良好的亲锂性，有效地减小极化电压、锂沉积的形核过电位和体积效应，实现了大电流高锂载量下的持续均匀沉积/溶解，有效缓解体积变化和界面效应，显著提高了锂金属电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于锂金属电池技术领域，具体涉及了一种高稳定性三维多孔锂金属阳极及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为一种高效储能装置已被大量生产和广泛应用，然而受限于石墨负极有限的理论容量，锂离子电池的能量密度难以突破250Wh/kg，限制了电动汽车的发展。锂金属具有理论比容量3860mAh g^-1，最低的电化学电位-3.04V(相对于标准的氢电极)，被认为是高能锂二次电池最理想的负极材料。然而锂金属无宿主的本质容易在反复的充放电过程中产生巨大的体积效应，致使SEI膜的反复破损和修复，滋生大量的无电化学活性的产物；加之锂金属表面固有的不平整导致锂沉积不均匀，继而引发不可控的锂枝晶，造成电池短路甚至起火爆炸，这些被认为是阻碍了锂金属负极商品化应用的主要障碍。

为了解决锂金属负极在电池循环过程中的体积变化，引入3D多孔骨架结构，为锂金属提供依附和支撑，包括三维多孔金属集流体(包括泡沫铜、泡沫镍等)和各种多孔碳集流体(石墨烯、中空碳球、碳纤维)等；例如范丽珍等人[Chi S S,Liu Y,Song W L,etal.Prestoring lithium into stable 3D nickel foam host as dendrite-freelithium metal anode[J].Advanced Functional Materials,27(2017)1700348.]和郭再萍等人[Yifeng Cheng,Xi Ke,Yuanmao Chen,et al.Lithiophobic-lithiophiliccomposite architecture through co-deposition technology toward high-performance lithium metal batteries[J].Nano Energy,63(2019)103854.]利用泡沫镍和泡沫铜作为预存锂的骨架，实现不同的电流密度和锂容量下极低的体积效应。然而，三维金属集流体质量和体积相对比较大，作为高能二次电池的负极材料难以提升其能量密度，限制了其在移动电气设备上的应用。