[发明专利]一种通过改善锂金属和3D骨架浸润性来抑制锂枝晶生长的方法

说明书

本发明涉及一种改善3D骨架和锂金属的浸润性从而抑制锂枝晶生长的方法。将3D镍骨架放置于原子层沉积设备的腔室中，按次序依次通入锂源、磷源，并通入惰性气体清洗反应过程的副产物及残余气体，锂金属表面形成Li₃PO₄保护层，保护层厚度为2‑20nm；将锂片放加热至300℃，直至锂片完全融化成液体锂，此时把具有非晶Li₃PO₄包覆层的3D镍骨架置于锂液体中，锂自发吸附到骨架上，形成具有三维结构的负极极片。Li₃PO₄层中的Li基团能够改善骨架表面的亲锂性，3D结构能够减缓电池循环过程中锂沉积带来的体积膨胀，同时均匀负极表面的电荷，抑制锂枝晶的生长。利用制备的极片装配的电池，其循环性能和倍率性能显著提高，且简单快捷。

技术领域

本发明设计电极材料表面处理技术领域，特别涉及抑制锂金属材料表面锂枝晶生长的方法。

背景技术

随着便携式电子产品和电动汽车的进一步发展，对于动力系统即锂离子电池性能的要求也水涨船高。传统的锂离子电池已经难以满足人们的需求，开发高能量密度、高使用寿命的电极材料变得尤为重要。在众多新型的电极材料中，锂金属负极以其极高的理论容量(3860mAh/g)和最负的电势(-3.040V vs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。然而锂金属作为负极时，存在着很多问题。在电池循环过程中，锂离子在电极表面沉积，电流密度不均匀带来沉积速率的区别，从而形成枝晶，锂枝晶的持续生长严重会导致电池内部短路，形成热失控，进而引发爆炸事故。此外，部分枝晶掉落在电解液中，形成“死锂”，暴露出新的锂金属表面，再次生成新的SEI膜，这又导致锂枝晶的进一步生长，形成恶性循环，造成电池容量的不可逆损失。锂枝晶生长、电解液消耗、体积膨胀成为了制约锂金属商业应用的主要因素。

目前，本方法通过原子层沉积(ALD)技术制备了均匀包覆在3D镍骨架表面的Li₃PO₄膜，改善了熔融锂和骨架的浸润性，得到具有骨架结构的负极材料。制备的负极材料能够均匀负极表面的电荷分布，减少枝晶生长，同时骨架结构在一定程度上为体积膨胀提供了缓冲空间，减少材料内部应力和界面波动，为更高效安全的锂沉积提供可能，实现高库伦效率、和高循环性能和高倍率性能的锂离子电池。

发明内容

为了解决上述技术存在的问题，本发明提供了一种抑制锂金属表面产生锂枝晶的方法，通过本发明给出的方法，可以在骨架结构表面构造锂盐薄膜，用以改善亲锂性，显著抑制锂枝晶生长，提高锂金属在循环过程中的稳定性。

本发明提供了一种通过改善锂金属和3D骨架浸润性来抑制锂枝晶生长的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在3D镍骨架表面进行ALD沉积一层1-20nm的Li₃PO₄非晶薄膜，以此来改善骨架和锂的浸润性，另一方面，Li₃PO₄具有较高的离子电导率，能够使负极保持较好的离子传输性能。

(2)将骨架结构放置于熔融锂中，锂会自发地吸附到骨架周围，一段时间后取出处理表面，形成了具有3D结构的锂负极，存在的空间会减缓锂沉积过程中的体积膨胀，提高储锂能力。

(3)制备纽扣电池测试性能，该3D骨架锂负极具有较大的比表面积，促进Li沉积均匀，同时为电池循环过程中出现的体积膨胀提供一定程度上的缓冲空间。

通过改善锂金属和3D骨架浸润性来抑制锂枝晶生长的方法，其特征在于，包括以下步骤：