[发明专利]氧化石墨烯助力晶种稳定化的复合负极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯助力晶种稳定化的复合负极及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明的复合负极，所述负极包括从下至上依次设置的金属集流体、亲锂晶种和人工界面层，其中：所述人工界面层材料为氧化石墨烯。本发明采用一种特殊三明治结构复合负极，不仅通过电镀方式实现亲锂晶种的可控调节，降低锂沉积过电位(低至12mV)，诱导锂沉积；上表面利用氧化石墨烯的平整性和机械稳定性，可实现离子流均匀化，达到抑制锂枝晶生长的目的，使复合电极结构具有更加优异的循环稳定性。同时，引入氧化石墨烯作为人工界面层，具有离子选择性，能够保持亲锂晶种的稳定性，通过协同作用稳定脱锂过程中晶种的可逆性。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯助力晶种稳定化的复合负极及其制备方法和应用，特别是在高能量密度金属锂和商用正极匹配中的应用。

背景技术

目前，锂离子电池(LIBs)的能量密度和寿命越来越难以满足日益增长的电驱动设备需求。利用具有3860mAh g^-1的超高比容量和最低的还原电位(相对于标准氢电极为-3.04V)的金属锂制备成的锂金属电池(LMBs)，其最高能量密度可实现500Wh kg^-1(Chem.Rev,2017,117(15):10403-10473.)。然而，LMB在实际应用中会持续受到锂枝晶生长和体积膨胀的影响，进而造成锂的不均匀沉积，导致不稳定的固体-电解质间相层(SEI)产生和库仑效率的降低(CE)(J.Am.Chem.Soc,2013,135(11):4450-4456.)。同时，随着电池长时间循环，锂枝晶不断生长并最终积累形成大量“死”锂，还会带来安全隐患。

为了解决上述问题，研究者们已经采取了许多改进策略(Angew.Chem.2017,129(27):7872-7876.)。其中一个普遍的方法是亲锂位点的修饰(Adv.Funct.Mater.2021,31(14):2009961.)，从而改善铜(Cu)集流体的疏锂性，以提高金属锂在充放电过程中的可逆性和稳定性。Cui等人提出，异质纳米晶种在调节锂沉积和剥离行为起着重要作用(Nat.Energy,1(2016)1-8)。例如，在碳基质上修饰单原子锌金属位点，由于该位点具有较高的表面能，可以稳定锂沉积，而较低的锂迁移势垒可以提高锂在高维度方向上的沉积。这种改性最终实现了半电池约12mV的低过电位和高达100％的库伦效率。因此，锌可以诱导锂的生长，并促进形成均匀和无枝晶的电极表面(Energy Stor.Mater,2019,23:587-593.)。

尽管大量研究证实，异质成核粒子/原子均是通过形成合金化方式(如Li_xAu、Li_xZn和Li_xAl)，诱导锂沉积并降低锂在沉积过程中的成核过电位，并引起了广泛的研究兴趣(Nano lett,2017,17(1):565-571.)。然而，很少有工作关注合金中亲锂金属位点在脱合金化后的失效机制以及循环后成核位点的可持续性问题。目前，有研究者强调，亲锂位点的可持续性在循环过程中起着重要作用。原因在于死锂的快速积累会覆盖亲锂位点，进而阻断锂离子向亲锂位点扩散的通道，致使位点逐渐失效，增加电池的成核过电位(Adv.EnergyMater.,2022,12(2):2103291.)。同时，亲锂位点在金属基和金属氧化物基材料中易脱落，并且在高循环容量下可能发生结构变化，这也是至关重要但又容易被忽略的(Adv.EnergyMater.,2019,9(18):1802695.)。因此，分析亲锂位点在脱合金化过程中的行为过程对于设计稳定的金属锂复合负极是至关重要的。

综上所述，如何在诱导锂沉积的同时进一步改善亲锂位点的失效问题，仍然是一个容易忽视的重要挑战。

基于上述理由，提出本申请。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及缺陷，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯助力晶种稳定化的复合负极及其制备方法和应用，解决或至少部分解决现有技术中存在的上述技术缺陷。