[发明专利]亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂电池电极材料技术领域，具体为亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料及其制备方法和应用。本发明亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料，主体为石墨烯量子点，石墨烯量子点由石墨相的碳核和富含氧、氮、硫等元素的聚合物短链壳部组成，其表现出强锂离子亲和性。将其涂覆在金属锂表面，可改善大电流下锂金属负极表面锂离子耗尽的问题，从而改变金属锂的沉积行为，稳定金属锂的沉积剥离。该亲锂性石墨烯量子点/锂负极应用于锂‑空气全电池中，可得到倍率性能和循环寿命大幅提高的锂‑空气电池。本发明制备工艺简单，能实现大电流、大容量下长循环寿命的锂金属负极，在高能量密度电池快充领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于锂电池电极材料技术领域，具体涉及亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的发展，人类对资源的需求越来越迫切。而锂离子电池经过30年的发展，其能量密度已接近理论值（350瓦时/公斤），难以满足发展的需求。锂金属负极具有超高的理论比容量和低电极电势，与高面容量的正极（如氧气，硫，金属氟化物等）匹配，可突破现有锂离子电池能量密度极限。为了实现这种高能量密度电池的高能量输出和快速充电，往往需要极高的电池密度，比如超过30毫安/平方厘米或3C充电速率，来达到在20分钟内充满电的目标。但在高电流密度下，金属锂负极界面处锂离子快速耗尽，造成巨大电池内部浓差极化，导致锂离子流不均匀分布，在缺陷处集中沉积，形成枝晶。枝晶的形成会导致电池性能迅速衰退，甚至造成电池内部短路，进而引发着火爆炸等安全事故。

为了解决上述锂金属负极表面锂离子流分布不均匀引发的枝晶生长，目前已有一些研究报道。一方面对电极结构进行设计，增大电极的比表面积，可均匀分散锂离子流。另一方面对电解质溶液进行优化，如采用高浓度的电解质溶液，可减轻电池内部的浓差极化，促进锂均匀沉积。但是这些方法主要是针对整个电解质中锂离子浓度的宏观分布，并未着眼于锂金属负极与电解质界面纳米尺度下锂离子浓度的分布。而锂离子的不均匀分布和耗尽问题主要发生在电解质-电极的界面上，在大电流下，界面处锂离子耗尽更加严重。因此，目前金属锂负极仍然只能在较低的电流密度下循环，难以满足下一代高能量密度电池的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效稳定金属锂沉积剥离的亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料及其制备方法和应用。

本发明提供的亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料，其中的亲锂性石墨烯量子点具有核壳结构，核部是sp²杂化的碳组成的石墨晶相，壳部是富含氧、氮、硫等高电负性元素的聚合物短链：该亲锂性石墨烯量子点可以吸附带正电的锂离子，从而缓解了锂负极表面锂离子浓度的耗尽，促进锂金属在大电流下快速均匀沉积，并且在大容量时仍能保持对锂离子的吸附，实现锂金属在高容量下稳定的沉积剥离；此外，石墨烯量子点超薄涂层具有高的模量，可有效抑制锂枝晶的生长，实现锂金属的无枝晶沉积剥离。

本发明提供的亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料的制备方法，采用水热法，以柠檬酸和硫脲作为原料，在水热过程中发生缩聚反应，生成亲锂性石墨烯量子点；再将亲锂性石墨烯量子点溶液旋涂到锂金属表面；具体步骤如下：

（1）制备亲锂性石墨烯量子点：

将0.1-0.3克的柠檬酸和0.2-0.7克的硫脲溶解到5-15毫升去离子水中，得到反应液；将反应液倒入水热釜中，密封后放到烘箱中，在140-180摄氏度的条件下水热反应4-6小时；反应结束后，将反应液降至室温，并用0.5-1.0摩尔/升的氢氧化钠溶液调节pH为5-6，再用3000-4000道尔顿分子量截止的透析袋透析4-8小时，然后将亲锂性石墨烯量子点冷冻干燥24-48小时，即得目标产物亲锂性石墨烯量子点材料，储存在无水无氧环境中；

（2）制备亲锂性石墨烯量子点/锂复合材料：