[发明专利]一种抑制枝晶生长的锂金属电池负极集流体及其改性方法

说明书

本发明公开了一种抑制枝晶生长的锂金属电池负极集流体及其改性方法，属于锂电池负极枝晶抑制生长领域，通过对Cu集流体做了相应的处理，减少“锂枝晶”的生成和“死锂”的形成，提高锂金属负极的库伦效率及循环寿命。本发明利用旋涂法在集流体表面修饰一层PES膜，该PES膜含有大量的极性官能团O=S=O，在锂沉积的过程中，极性官能团可以诱导锂离子的均匀形核，从而抑制了锂枝晶的生长；同时改善电极界面的浸润性，降低负极、电解液固液相界面的阻抗，提高了界面锂离子的传输；且PES高聚物覆盖在铜箔上，也可以阻挡电极与电解液的直接接触，防止在循环过程中电解液的消耗。

技术领域

本发明属于锂电池负极枝晶抑制生长领域，尤其涉及一种抑制枝晶生长的锂金属电池负极集流体及其改性方法。

背景技术

随着便携式充放电设备的快速发展与应用，在移动储能设备中，长时间的充电间隔是对高能量密度电池提出了新的要求。金属锂作为电池负极具有极高的理论比容量(3860 mAh•g^-1)，是碳材料的10倍以上；以金属锂为负极的新一代可充电电池具有重要的研究价值和广阔的应用前景。能量密度较大的锂金属电池、锂空、锂氧类电池的应用都是必须以一个成熟的锂金属负极技术为必要前提的。

锂金属负极目前的主要问题在于锂离子在锂的还原电位下得电子由离子态转变为金属态沉积到集流体上，由于锂金属内在特性以及电流密度分布不均匀，从而形成树枝状的金属锂—“枝晶锂”。锂枝晶在多次沉积/剥离循环过程中往往会断裂形成“死锂”，造成锂金属负极活性材料以及电解液的损失，导致可逆容量的急剧降低，使库伦效率快速衰减。同时，电解液深处的枝晶往往会降低锂金属负极表面电解质界面膜(SEI)的强度，影响电池结构的稳定性，大大缩短电池的使用寿命。当前抑制锂枝晶的方法中，电解液成分的调控以及电解液添加剂的使用是最便捷的方案，然而在电池的实际运行过程中，添加剂会不断发生不可逆的化学反应，添加剂效果会不断衰退。固态电解质拥有较高的杨氏模量可抑制锂枝晶的生长，可以有效改善锂负极的安全性能，然而固态电解质的离子电导率远低于液态电解质，电池阻抗明显增大，电池效率低下。

发明内容

本发明提供了一种抑制枝晶生长的锂金属电池负极集流体及其改性方法，对集流体Cu做了相应的处理，减少“锂枝晶”的生成和“死锂”的形成，提高锂金属电池的库伦效率及循环寿命。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种抑制枝晶生长的锂金属电池负极集流体，所述集流体表面修饰一层含有极性官能团O=S=O的聚砜类极性高分子膜。

一种抑制枝晶生长的锂金属电池负极集流体改性方法，包括以下步骤：

步骤1：将处理后的集流体裁剪成合适大小；

步骤2：将聚砜类极性高分子聚合物添加至N-N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中，隔绝空气和水分，待其自然溶解、静置，形成聚砜类极性高分子聚合物-DMF或NMP混合溶液；

步骤3：将步骤2中所得到的聚砜类极性高分子聚合物-DMF或NMP混合溶液均匀地涂在步骤1得到的集流体表面；

步骤4：将步骤3涂覆后的集流体淬火后真空干燥，得到表面覆盖含有极性官能团O=S=O聚合物膜的集流体。

以上所述步骤中，步骤2中所述聚砜类极性高分子聚合物为聚砜醚（PES）、双酚A型聚砜（PSU）或聚亚苯基砜（PPSU），所述聚砜类极性高分子聚合物-DMF或NMP混合溶液浓度为1.3~66.7 mg/mL，优选3.3 mg/mL；

步骤3中利用旋涂法涂覆至集流体表面，旋涂的转速为3500r/min，旋涂的量为2~5mL。

步骤4中淬火温度为100℃，淬火时间为30min，真空干燥温度为80℃，干燥时间为24h。

上述集流体改性的方法应用于以锂金属为负极的电池体系，包括：锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池体系。