[发明专利]一种稳定金属锂粉及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种稳定金属锂粉及其制备方法和应用，所述制备方法通过将金属锂粉与含有巯基硅烷类化合物和烷氧基硅烷类化合物的包覆液混合均匀并进行加热搅拌，再将得到的产物依次进行过滤、洗涤以及干燥，即可得到被复合硅酸盐包覆的稳定金属锂粉。本发明所述制备方法无需对金属锂粉进行预处理，直接利用金属锂粉表面轻微的氧化成分与包覆液进行化学取代反应，即可在金属锂粉表面形成一层致密且轻薄的复合硅酸盐包覆层，工艺简单，操作性强，而且制备得到的稳定金属锂粉具有很高的稳定性和储存寿命，便于安全运输、存储和使用，能广泛用作锂电池电极材料的预补锂添加剂，从而提高锂电池的容量和循环寿命等综合性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种稳定金属锂粉及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电低、无记忆效应、无污染等优点被广泛应用。近年来，随着新能源汽车、智能电网、分布式储能的快速发展，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。传统锂离子电池负极材料为石墨及碳材料，正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等材料。目前，商用锂离子电池大多采用碳质负极，一般采用石墨基材料，嵌锂容量偏低(372mAh/g)。在充放电过程中，锂离子的消耗与电解质的分解耦合会在石墨负极表面形成钝化的保护层，通常称为固态电解质界面，简称SEI膜。理论上，SEI膜只传输锂离子，而阻止电子的传输，从而防止电解质的进一步降解，使碳质负极的锂离子电池能够稳定循环。SEI膜主要是在前几次充电过程中形成的，尤其是在第一次充电过程中，导致电池容量快速降低。随着电池充放电的进行，由于锂离子的嵌入和脱出，石墨负极材料大约会产生10％的体积变化。由于体积的变化，SEI膜可能会发生破裂，导致锂化的石墨与电解液发生接触和反应，从而消耗了电解液与锂离子。这会导致SEI膜的不断生成和增厚，导致锂化的石墨与电解液发生接触和反应，从而消耗了电解液与锂离子，电池可用容量不断降低，电池内阻也不断增加。

近年来，硅基负极电池发展迅速。硅基负极材料具有比容量高(高达4200mAh/g，远高于石墨的372mAh/g)、成本低、嵌入电位低等优点，被认为是下一代高比能锂离子电池最有前途的负极材料之一。由于其电位位于电解液稳压窗外，也会形成SEI膜，导致初始循环库仑效率较低。而SEI薄膜的不断增厚也会导致锂离子的不可逆转损失，永久地消耗大量来自正极的锂，造成首次循环的库仑效率(ICE)偏低，降低了锂离子电池的容量和能量密度。此外，在锂化过程中，硅会出现300～400％的巨大膨胀，可能会导致后续SEI膜生成和活性物质粉碎，导致活性物质在集流体上发生剥落。并且由于其导电性差，容量不能充分利用，故功率密度也不好。因此，许多研究者致力于硅/碳复合负极材料的研究，以提高其使用寿命和倍率性能。

目前，可以通过预锂化对电极材料进行补锂，抵消形成SEI膜造成的不可逆锂损耗，以提高电池的总容量和能量密度。其中，加大正极材料的添加量，使用预锂化添加剂，采用电化学预锂化，采取接触短路等方式对电极预锂化，在一定程度上可以补偿首次循环的不可逆容量损失，但增大了经济成本或增强了实验过程的繁琐程度。针对锂离子电池中的上述问题，最好的解决办法就是在负极极片中添加额外的活性锂，常用的方法是通过补锂设备直接向负极极片喷涂金属锂粉进行补锂，以此达到提升首次库伦效率和电池容量的目的。但是一方面，金属锂粉属于高反应活性的碱金属，属于非常危险的物品，极易引发爆炸和火灾等严重事故，另一方面，由于金属锂粉的比表面积很大，质量轻，易飘散，有被人体吸入的风险，使得补锂操作难度较大。为此，研究者们开发出了各种稳定金属锂粉的制备方法。