[发明专利]一种锂金属用氨基酸缓释复合碳骨架及其制备方法

说明书

本发明公开了属于二次电池技术领域的一种锂金属用氨基酸缓释复合碳骨架及其制备方法。所述复合碳骨架以碳骨架为缓释骨架，以氨基酸为添加剂，氨基酸被固定在碳骨架的结构孔内；随着电池循环反应的进行，结构孔内的氨基酸被逐渐释放到电解液中，弥补电解液中氨基酸的消耗。结构孔内负载的氨基酸能作为亲锂性的基团诱导锂金属的均匀沉积。同时，缓释的氨基酸作为添加剂，逐渐释放补充溶解在电解液中，弥补电解液中随着SEI形成而不断消耗的氨基酸，通过CV中有呈现的明显还原峰可知，电解液中的氨基酸，以氨基和羧基为反应单元，原位促进并参与SEI的形成并且调控和优化沉积金属锂表面的SEI，进而提高锂金属负极的电化学性能。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，尤其涉及一种锂金属用氨基酸缓释复合碳骨架及其制备方法。

背景技术

随着人类社会对于能源设备的依赖度和需求度地不断提高，新型的电池体系的研究和发展势在必行。其中，锂金属电池备受关注，是当下高能量密度电池体系研究的热点和重心。因为金属锂具有高达3860mAh/g的理论比容量和低至-3.04V的电势，是高比能电池的理想负极材料。然而，受制于锂金属活泼的电化学性质，其在电池循环过程中面临锂枝晶生长，不稳定固态电解质界面膜(SEI)的形成，以及严重的体积效应等问题，因而锂金属电池至今未能商业化应用。近年来研究者们发展了大量的策略来解决锂金属负极的上述问题，推进其商业化应用进程，包括制备人工SEI，使用固态电解质，引入三维骨架，调控电解液体系等。

基于上述内容，现有技术中，人们采用通过在锂金属反应表面外源引入一层不溶态、凝胶状的蛋白质大分子，由于蛋白质分子链中的肽键与锂具有较好的亲和性，蛋白质大分子能吸附到锂金属表面，此时，蛋白质结构从α螺旋转变为β折叠，紧密贴合在锂表面，使蛋白质与锂金属有较好的相互作用，形成一层蛋白质的膜结构，进而充当人工SEI发挥作用。此外，由于蛋白质不导电，能降低集流体附近的局部电场强度，促进锂沉积。但是关于蛋白质分子本身对 SEI形成的具体影响，尚不可知。

除此之外，现有技术中发现，三维骨架的引入不但可以有效地缓解锂金属负极在循环过程中的体积效应，还可以对锂金属的沉积生长行为进行一定程度的调控。更为重要的是，骨架材料和锂-骨架复合负极易于大规模的生长制造，具有实用化的现实意义。但是，目前的骨架材料的设计主要是通过较为复杂的工序引入亲锂性的金属或者金属氧化物来诱导锂的均匀沉积，然而这些材料增加了复合负极中非活性组分的含量，不利于高比能电池的构建。而且，在实际电池循环过程中，锂循环深度大幅提高，亲锂性设计效果难以满足需要。

基于上述内容，亟需提出更为实用化的功能化骨架设计以及相应的简单、高效、低成本的制备工艺，有效调控锂的成核生长，并起到优化SEI的作用，进而有效提升电池的循环性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种锂金属用氨基酸缓释复合碳骨架，所述复合碳骨架以碳骨架为缓释骨架，以氨基酸为添加剂，氨基酸被固定在碳骨架的结构孔内；随着电池循环反应的进行，结构孔内的氨基酸被逐渐释放到电解液中，弥补电解液中氨基酸的消耗。

缓释的氨基酸作为添加剂，逐渐释放补充溶解在电解液中，弥补电解液中随着SEI形成而不断消耗的氨基酸，通过CV中有呈现的明显还原峰可知，电解液中的氨基酸，以氨基和羧基为反应单元，原位促进并参与SEI的形成并且调控和优化沉积金属锂表面的SEI，进而提高锂金属负极的电化学性能。

同时，结构孔内负载的氨基酸能作为亲锂性的基团诱导锂金属的均匀沉积。

所述碳骨架厚度为50-200μm；氨基酸在碳骨架中的面载量为0.2-1mg/cm²。

所述碳骨架采用碳布、石墨纸、碳纤维纸或碳纳米管纸；所述氨基酸为烟酸、脯氨酸、组氨酸、甘氨酸或谷氨酸中的任意一种。

锂金属用氨基酸缓释复合碳骨架的制备方法，包括如下步骤：