[发明专利]三维复合锂金属负极及其制备方法和锂电池

说明书

本发明公开了一种三维复合锂金属负极及其制备方法和锂电池，该三维复合锂金属负极包括：锂金属；设于所述锂金属表面的多孔碳层；以及覆盖在所述多孔碳层表面的多孔金属‑有机骨架层。该三维复合锂金属负极可有效的减少锂枝晶的形成，缓解体积膨胀，调节锂成核和均匀沉积，从而显著提高锂离子电池的首次库伦效率和循环性能。

技术领域

本发明属于锂金属电池技术领域，具体涉及一种三维复合锂金属负极及其制备方法，还涉及一种含有该三维复合锂金属负极的锂电池。

背景技术

随着便携式电子设备、无人机、电动车和电网储能的迅速发展，高能量密度、高功率密度、高安全性、长寿命的可充电电池备受关注。尽管基于传统的石墨负极锂离子电池取得了广泛的应用，但其相对较低的理论能量密度限制了其进一步发展，寻找石墨负极的替代材料成为当前二次电池研究的关键。

锂金属负极因其具备极高的理论比容量(3860mAh/g)、极低的电位(-3.04V)、密度小、延展性好等一些系列优点而被认为是一种具有广泛应用前景的负极材料。但现实中锂金属一直无法实现大规模商业化应用，这是因为，锂金属作为负极材料主要存在以下几个问题：(1)锂金属化学性质活泼，易于电解液发生持续性的不可逆副反应，导致电解液被大量消耗，降低负极容量和电池循环寿命；(2)锂金属在沉积的过程中，容易形成树枝状或苔藓状的锂枝晶，锂枝晶不断形成粉化形成“死锂”，降低负极容量，同时锂枝晶不断生长，极易刺破隔膜，造成电池短路，产生安全隐患；(3)锂金属在充放电过程中，体积膨胀，使得电池严重形变，破坏电池循环稳定性。

针对锂金属负极的上述缺陷，公开号为CN109713224A的中国专利申请中公开了一种复合锂金属负极，具体为将液态锂浸入具有多孔结构的导电骨架中，有效避免枝晶的形成，改善复合锂金属负极体积膨胀、循环性能差以及安全风险高等问题，使得复合锂金属负极具有循环性能好以及安全性能高的优点，使得应用该复合锂金属负极的电池具有高能量密度以及长循环稳定性；但是该制备方法较为复杂，涉及锂金属溶解温度较高，增加了成本和风险且首次库伦效率并未得到明显改善。公开号为CN107808944A的中国专利申请公开了一种多孔金属-有机骨架材料(MOF)与碳纳米纤维(CNFs)材料组成的复合材料，用于金属锂负极保护，可以有效解决金属锂负极表面锂枝晶生长的问题，提高锂负极的循环稳定性，提高采用金属锂材料的二次电池的电池性能和安全性，但是将MOF-CNFs涂覆在隔膜上，可能会对隔膜的孔隙产生影响，造成隔膜孔隙堵塞，影响电解液的浸润和锂离子的传输，还可能会导致阻抗进一步增加。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种三维复合锂金属负极及其制备方法和锂电池，在锂金属表面设有多孔碳层，从而构建出三维多孔结构的导电碳支架，同时在多孔碳层上覆盖一层MOF层作为离子筛，起到引流和过滤的作用，该三维复合锂金属负极有效的减少了锂枝晶的形成，缓解体积膨胀，可调节锂成核和均匀沉积，可显著提高锂离子电池的首次库伦效率和循环性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种三维复合锂金属负极，其包括：

锂金属；

设于所述锂金属表面的多孔碳层；

以及覆盖在所述多孔碳层表面的多孔金属-有机骨架层。

进一步的，所述多孔碳层的材料选自活性碳、介孔碳、超小微孔碳、多级结构多孔碳、空心碳球、空心碳纤维、活性碳纤维、碳纳米管、碳分子筛、中空碳纤维中的一种或两种以上的混合。

进一步的，所述多孔金属-有机骨架层中的多孔金属-有机骨架选自MOF-5、MOF-210、ZIF-8、HKUST-1、MIL-53、PCN-14、MOF808中的至少一种。

本发明还提供了一种如前述任一项所述的三维复合锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：

获得多孔碳；