[发明专利]一种具有层状和垂直取向结构的复合锂负极及制备与应用

权利要求书

1.一种具有层状和垂直取向结构的复合锂负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将锂带和聚合物微纳米纤维膜叠放，然后进行辊压，使聚合物微纳米纤维膜粘连在锂带的表面；所述聚合物微纳米纤维膜为纺丝膜；所述纺丝膜为定向结构纤维；所述纺丝膜的制备方法为以下任意一种：

方法一：将1g聚丙烯腈溶解于9g N,N-二甲基甲酰胺中配制成浓度为10wt％溶液，将该溶液进行纺丝，针头与辊筒的距离为15cm，高压电场强度为16kV，辊筒转速为200rpm；

方法二：将1g聚乙烯吡咯烷酮溶解于7.5mL乙醇和2.5mL N,N-二甲基甲酰胺中配制成溶液A；将2.5g钛酸四丁酯溶解于7.5mL乙醇和2.5mL乙酸中配成溶液B；将溶液A与溶液B混合搅拌，配成纺丝前驱液；将该纺丝前驱液进行纺丝，针头与辊筒的距离为15cm，高压电场强度为16kV，辊筒转速为400rpm；

方法三：将2g聚偏氟乙烯-六氟丙烯溶解于6.2mL丙酮和5.2mL N,N-二甲基甲酰胺中配成纺丝前驱液；将该纺丝前驱液进行纺丝，针头与辊筒的距离为15cm，高压电场强度为18kV，辊筒转速为300rpm；

方法四：将2g聚偏氟乙烯溶解于8mL丙酮和2mL N,N-二甲基甲酰胺中配成纺丝前驱液；将该纺丝进行纺丝，针头与辊筒的距离为15cm，高压电场强度为18kV，辊筒转速为300rpm；

方法五：将等摩尔量的均苯四甲酸二酐和4,4′-二胺基二苯醚聚偏氟乙烯溶解于N,N-二甲基乙酰胺，反应4h后得到澄清透明的黄色粘稠状的聚酰胺酸溶液；将该聚酰胺酸溶液配成12wt％的纺丝前驱液进行纺丝，针头与辊筒的距离为15cm，高压电场强度为13kV，辊筒转速为300rpm；

(2)将步骤(1)中的聚合物微纳米纤维膜和锂带进行卷绕，形成聚合物纳米纤维膜和锂带层层包裹的卷芯状，得到锂带和聚合物微纳米纤维膜交替排列的层状结构；

(3)将步骤(2)得到的锂带和聚合物微纳米纤维膜交替排列的层状结构沿着横截面的方向进行切割，即得到层状和垂直取向结构的复合锂负极。

2.如权利要求1所述的具有层状和垂直取向结构的复合锂负极的制备方法，其特征在于，所述聚合物微纳米纤维膜为聚偏氟乙烯纤维膜、聚偏氟乙烯-六氟丙烯纤维膜、聚丙烯腈纤维膜、聚酰亚胺纤维膜或聚乙烯吡咯烷酮与二氧化钛复合纤维膜。

3.如权利要求1所述的具有层状和垂直取向结构的复合锂负极的制备方法，其特征在于，所述聚合物微纳米纤维膜的厚度为10-100μm，所述锂带的厚度为50-200μm。

4.如权利要求1所述的具有层状和垂直取向结构的复合锂负极的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述层状结构为圆柱体或长方体。

5.如权利要求1所述的具有层状和垂直取向结构的复合锂负极的制备方法，其特征在于，步骤(3)得到的复合锂负极的厚度为100-1000μm；所述复合锂负极中聚合物微纳米纤维膜的质量百分比小于70wt％。

6.由权利要求1-5任一所述方法制备得到的具有层状和垂直取向结构的复合锂负极。

7.由权利要求6所述的具有层状和垂直取向结构的复合锂负极在锂金属电池中的应用，其特征在于，所述锂金属电池中的液态电解液能够渗透多孔的聚合物微纳米纤维膜，与侧面的锂金属接触，使锂离子在侧面沉积，从而降低了复合锂负极表面的电流密度，减少锂枝晶的生长。

8.一种锂金属电池，其特征在于，包括正极、权利要求6所述的具有层状和垂直取向结构的复合锂负极及电解液。

9.如权利要求8所述的锂金属电池，其特征在于，所述正极的活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂三元材料、硫单质或氧气。

10.如权利要求8所述的锂金属电池，其特征在于，所述电解液采用的非水有机溶剂为1、3-二氧戊烷、乙二醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、氟代乙酸甲酯、氟代乙酸丙酯、γ-丁内酯和环丁砜中的至少一种；所述电解液采用的盐为LiTFSI、LiFSI、LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiBOB、LiDFOB、NaTFSI、NaFSI和NaClO₄中的至少一种。