[发明专利]一种无枝晶锂金属-石墨烯纸复合负极的制备方法

说明书

本发明公开了一种无枝晶锂金属‑石墨烯纸复合负极的制备方法，准备石墨烯水溶液，通过真空抽滤方式除去水分，在真空抽滤过程中加入无水乙醇，利用水和乙醇的相互溶解带来液流扰动，水分除去后，加热干燥，将石墨烯堆聚物与滤膜分离，得到疏松多孔的石墨烯纸骨架。通过电化学沉积的方式复合锂金属与石墨烯纸骨架，沉积的锂以颗粒形式均匀分散在石墨烯纸骨架中。该石墨烯纸骨架中沉积的锂为无枝晶形态，后续电池循环过程中依然保持着这种形态，消除了电池因锂枝晶带来的失效；石墨烯纸骨架为由石墨烯构成的疏松多孔的三维结构，电子和离子导电能力都十分杰出，适用于高功率使用环境；制得的复合负极拥有较好的柔性，适用于柔性器件应用。

技术领域

本发明涉及锂金属负极体相改性技术领域，特别是涉及一种抑制锂金属负极锂枝晶生长的方法。

背景技术

伴随着社会的持续进步，各种便携式电子产品逐渐成为人类日常生活必不可少的一部分。锂离子电池因其工作电压高、循环性能好、能量密度和功率密度高等特点被广泛使用于各个领域如便携式摄像机、手机、笔记本电脑以及电动汽车等。但是随着需求的提高，传统的锂离子电池逐渐无法满足需要，迫切需要开发高能量密度、高使用寿命的电极材料以满足新兴的高端储能器件。

锂金属负极以其极高的理论容量(3860mAh/g)和最负的电势(-3.040Vvs标准氢电极)而被称为是“圣杯”电极，受到研究人员的极大关注。

然而这些金属锂电池存在严重的枝晶生长问题，难以稳定循环。锂枝晶生长会导致电池短路，进而可能形成热失控，引发潜在的着火爆炸的风险，此外，锂枝晶也可能会形成“死锂”，造成电池容量的不可逆损失。这些安全问题导致锂金属二次电池没有实现商业应用。近年来，科研工作者们为了实现金属锂作为商业负极材料使用已经提出了各种解决方案，但是都无法从根本上彻底解决锂枝晶的生长问题，因此，目前发展有效的抑制锂枝晶技术成为发展高比容量的金属锂电池的关键。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抑制锂枝晶生长的方法，通过本发明给出的方法，为锂金属构建了三维结构骨架，可显著抑制枝晶生长，提高锂金属在循环过程中的稳定性。

本发明提供了一种制备三维结构石墨烯纸骨架的方法，并通过构建锂金属-石墨烯纸骨架复合负极来抑制锂枝晶的生长，包括以下步骤：

(1)准备一定量的石墨烯水溶液，超声分散后，通过真空抽滤方式除去水分，在真空抽滤过程中，加入适量无水乙醇，水分除去后，加热干燥，将石墨烯堆聚物与滤膜分离，得到疏松多孔的石墨烯纸骨架。

(2)以石墨烯纸骨架为正极，纯锂片为负极，以负极壳-锂片-隔膜-石墨烯纸-弹簧片-不锈钢垫片-正极壳的顺序组装扣式电池式电沉积设备，通过电化学沉积的方式复合锂金属与石墨烯纸骨架。

进一步地，在步骤(1)中，所用的石墨烯水溶液浓度为0.1mg/mL，所用石墨烯溶液体积为300mL。

在步骤(1)中，超声的液体温度为25℃，超声的时间为20min。

在步骤(1)中，真空抽滤所用滤膜为阳极氧化铝模板(AAO),直径为47mm，孔径为200nm。

在步骤(1)中，抽滤开始前，在抽滤容器中加入50mL无水乙醇，当容器中剩余溶液量为4/5，3/5，2/5，1/5时，分别加入5mL无水乙醇。

在步骤(1)中，加热干燥温度为60℃，时间为4h。

在步骤(2)中，锂片，隔膜，石墨烯纸的直径相同，均为12mm。

在步骤(2)中，锂片厚度为500μm。

在步骤(2)中，用玻璃纤维膜作为隔膜。

在步骤(2)中，注入电沉积设备中电解液为1mol/L的LiPF₆的EC/DMC(1:1)溶液100μL。