[发明专利]一种引入硝酸盐到碱金属电池负极的方法及其产物与应用

说明书

本发明属于新能源材料与器件技术领域，公开了一种引入硝酸盐到碱金属电池负极的方法，该方法是将硝酸盐原料和碱金属材料通过重复机械辊压揉合，使硝酸盐分散在碱金属材料中，并参与与碱金属间的化学反应，由此形成复合电极材料。本发明通过将硝酸盐与碱金属机械辊压揉合的方法复合，使其均匀分散在碱金属基体中。同时，由于碱金属的高还原性，能够将硝酸盐还原成具备高离子电导率的N_xO_y^‑和N^3‑组分，在与电解液接触后形成稳定高效的SEI，有效降低碱金属的初次沉积电势，实现大块状均匀的碱金属沉积。本发明为引入碱金属电极稳定剂提供了一种全新的途径，有效解决了现有技术中硝酸盐作为稳定碱金属电极的电解液添加剂在碳酸酯电解液中低溶解度的问题。

技术领域

本发明属于新能源材料与器件技术领域，更具体地，涉及一种引入硝酸盐到碱金属电池负极的方法及其产物与应用，通过该方法能够将现有技术中通常是作为电解液添加剂的硝酸盐与碱金属复合，利用该方法得到的复合电极能够应用于在碱金属电池中。

背景技术

锂离子电池是当前最重要的能源存储与转换设备。商用的锂离子电池通过锂离子在正负极材料中来回脱嵌来实现能量的存储与释放，其循环稳定，使用安全。然而，脱嵌型电极材料较低的理论比容量(比如石墨负极的理论比容量仅为372mA h g^–1)限制了其能量密度的进一步提高，已经无法同步经济和社会的要求。锂金属负极由于其最负的电极电位(–3.04V)和最高的理论比容量(3860m Ah g^–1)，这使得基于金属锂负极的锂电池具有较高的输出电压和较高的理论能量密度，达到了人们对高能量密度锂电池的期望。

但由于金属锂的高反应活性、几乎无限的相对体积膨胀与枝晶生长等问题，导致其难以在电极/电解质界面形成稳定的固态电解质界面(Solid electrolyte interphase，SEI)，造成低的库伦效率和差的电池安全性。硝酸盐作为电解液添加剂能改变电解液中锂离子的溶剂鞘结构，形成稳定SEI，明显改变锂沉积的成核和沉积形貌。不幸的是硝酸盐在商用的碳酸酯电解液中具有极低的溶解度，使其无法与碳酸酯电解液兼容，极大限制了其在以锂金属电池为代表的碱金属电池中的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种引入硝酸盐到碱金属电池负极的方法及其产物与应用，通过将硝酸盐与碱金属采用机械辊压揉合的方法复合，使其均匀分散在碱金属基体中，同时由于碱金属的高还原性，能够将硝酸盐还原成具备高离子电导率的N_xO_y^-和N^3-等组分，作为电极应用于碱金属电池时，在与电解液(如碳酸酯电解液)接触后形成稳定高效的SEI，有效降低碱金属的初始沉积电势，实现均匀的碱金属沉积。并且，本发明方法可通过控制硝酸盐原料的用量，实现部分硝酸盐的还原，剩余部分未反应的硝酸盐还可缓慢释放进入电解液中，持续发挥作用。本发明为引入碱金属电极稳定剂提供了一种全新的途径，有效解决了现有技术中硝酸盐作为稳定碱金属电极的电解液添加剂在碳酸酯电解液中低溶解度的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种引入硝酸盐到碱金属电池负极的方法，其特征在于，该方法是将硝酸盐原料和碱金属材料通过重复机械辊压揉合，使硝酸盐分散在碱金属材料中，并参与与碱金属间的化学反应，由此形成复合电极材料。

作为本发明的进一步优选，所述复合电极材料中含有硝酸盐成分，这部分硝酸盐对应未与碱金属发生化学反应的硝酸盐；

在重复机械辊压揉合过程中，部分硝酸盐会与碱金属之间发生化学反应，得到的反应产物能够在电极表面参与形成固态电解质膜(Solid electrolyte interphase，SEI)，由此强化固态电解质膜；而剩余的部分未与碱金属发生化学反应的硝酸盐，能够在所述复合电极材料应用于电池时，溶解在电解液中，改善电解液中的碱金属离子溶剂鞘，同时与所述反应产物一同修复和稳定固态电解质膜。