一种锂金属电池负极的不对称骨架结构制造技术

一种锂金属电池负极的不对称骨架结构，属于锂金属电池技术领域。所述骨架结构具有在厚度方向上不一致的理化性质。凭借该骨架结构不完全一致的材料组分、结构、电子阻抗、离子阻抗、电解质接触角、熔融锂接触角、比表面积、孔分布、比孔容、孔隙率等理化性质，实现在锂金属电池充放电过程中对骨架结构间锂离子输运行为和骨架结构内电子传导行为的干预和引导，进而实现对金属锂沉积位置和溶解位置的精确调控。最终实现基于该骨架结构的锂金属电池负极材料在高倍率、高容量下的高稳定性、高循环效率的电池充放电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池负极的不对称骨架结构
本专利技术涉及一种锂金属电池负极的不对称骨架结构，属于锂金属电池

技术介绍
锂离子电池的成功商业化应用，带动了包括智能手机、可穿戴设备、无人机、电动汽车等行业的高速发展。但近几年来，锂离子电池的能量密度越来越接近其理论极限，其已难以满足人们和社会对储能系统越来越高的需求。在众多的电池材料中，锂金属凭借其极高的理论比容量(3860mAhg-1)和最低的氧化还原电极电位(-3.040Vvs.标准氢电极)成为了最有希望的下一代二次电池负极材料。但锂金属电池一直无法实现大规模商业化应用，其主要原因是在锂金属电池的充电过程，即锂金属的沉积过程中易生长形成树枝状的锂枝晶，锂枝晶的出现和生长，一方面可能会刺穿隔膜造成电池内部短路进而带来电池安全隐患，另一方面也会增大电池中金属锂和电解液的不可逆消耗，形成“死锂”，带来锂金属负极材料粉化等问题，严重降低了电池的循环寿命。为解决锂枝晶的生长问题，研究人员提出了多种采用骨架材料的金属锂负极(石墨烯骨架、碳纤维骨架、泡沫铜骨架、三维铜骨架、玻璃纤维骨架等等)。这些骨架材料可以在一定程度上有效地抑制锂金属沉积过程中的锂枝晶生长，并提高锂金属半电池的循环性能。但在大倍率或大容量循环条件下，其骨架结构的优势并不能充分发挥出来。对于各部分理化性质一致的普通导电骨架结构，在大倍率循环情况下，当沉积了一段时间的锂金属后，体相电解质中的锂离子迁移至负极表面将会优先于骨架结构外表面沉积，而骨架孔隙电解质中锂离子几乎消耗殆尽又无法及时得到体相电解质的锂离子补充，使得骨架中的锂金属沉积减慢甚至停滞，这最终造成锂金属几乎只沉积于该骨架结构外表面，使导电骨架失去原本设计的作用。类似的问题也见于诸如绝缘骨架结构等其他各部分理化性质一致的普通骨架结构。因此，设计一种在厚度方向上具有材料组分、结构、电子阻抗、离子阻抗、电解质接触角、熔融锂接触角、比表面积、孔分布、比孔容、孔隙率等理化性质不完全一致的骨架结构不仅可以实现抑制金属锂生长和提高负极循环性能的作用，还可以在大倍率、大容量的充放电情况下充分发挥锂金属电池负极中骨架结构的作用，实现锂金属沉积位置和溶解位置的精确调控。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂金属电池负极的不对称骨架结构。这种不对称骨架结构可以通过其厚度方向上的理化性质不一致性实现金属锂沉积位置和溶解位置的精确调控。本专利技术的技术方案如下：一种锂金属电池负极的不对称骨架结构，其特征在于：该骨架结构具有在厚度方向上不一致的理化性质；所述不对称骨架结构按如下方法中的一种或几种方法制备而成：a.将理化性质不同的多种材料拼接或复合后制成骨架结构；b.将同种材料后处理成理化性质不一致后形成骨架结构；c.直接原位制备理化性质不一致的材料形成骨架结构。本专利技术的技术方案中，所述不一致的理化性质包括材料组分不一致、结构不一致、电子阻抗不一致、离子阻抗不一致、电解质接触角不一致、熔融锂接触角不一致、比表面积不一致、孔分布不一致、比孔容不一致、孔隙率不一致中的一种或多种。所述不对称骨架结构由导电材料和绝缘材料中的一种或两种组成。优选地，所述导电材料为炭黑、富勒烯、石墨烯、碳纳米管、模板碳、大孔碳、中空碳球、活性炭、碳纤维、泡沫碳、铜、银、金、镍、铝、铁、钢等中的一种或多种。所述绝缘材料优选为聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚合树脂、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、醋酸纤维素、聚乳酸、聚己内酯、聚三亚甲基碳酸酯、聚乳酸乙醇酸、玻璃纤维中的一种或多种。本专利技术相比现有技术，具有如下优点及突出性效果：通过本技术，制备出在厚度方向上具有理化性质不一致性的骨架材料，凭借其不完全一致的材料组分、结构、电子阻抗、离子阻抗、电解质接触角、熔融锂接触角、比表面积、孔分布、比孔容、孔隙率等理化性质，实现在锂金属电池充放电过程中对骨架结构间锂离子输运行为和骨架结构内电子传导行为的干预和引导，进而实现对金属锂沉积位置和溶解位置的精确调控。最终实现基于该骨架结构的锂金属电池负极材料在高倍率、高容量下的高稳定性、高循环效率的电池充放电性能。具体实施方式本专利技术提供的一种锂金属电池负极的不对称骨架结构，该骨架结构具有在厚度方向上不一致的理化性质；该不对称骨架结构按如下方法中的一种或几种方法制备：a.将理化性质不同的多种材料拼接或复合后制成骨架结构；b.将同种材料后处理成理化性质不一致后形成骨架结构；c.直接原位制备理化性质不一致的材料形成骨架结构。所述不一致的理化性质包括材料组分不一致、结构不一致、电子阻抗不一致、离子阻抗不一致、电解质接触角不一致、熔融锂接触角不一致、比表面积不一致、孔分布不一致、比孔容不一致和孔隙率不一致中的一种或多种。所述不对称骨架结构由导电材料和绝缘材料中的一种或两种组成。所述导电材料优选为炭黑、富勒烯、石墨烯、碳纳米管、模板碳、大孔碳、中空碳球、活性炭、碳纤维、泡沫碳、铜、银、金、镍、铝、铁和钢中的一种或多种。所述绝缘材料优选为聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚合树脂、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、醋酸纤维素、聚乳酸、聚己内酯、聚三亚甲基碳酸酯、聚乳酸乙醇酸和玻璃纤维中的一种或多种。下面结合实施例对本专利技术做进一步描述，但本专利技术的保护范围不限于此。实施例1：取石墨烯粉末放入管式炉，通入H2与NH3的2:1混合气体，在600℃下恒温30分钟(或60分钟)进行氮掺杂反应，制成氮掺杂量为原子分数1％(或2％)的掺氮石墨烯。将所得两种掺氮量的掺氮石墨烯和未掺氮的石墨烯共3组样品分别按碳材料与粘结剂质量比9:1的比例加入聚偏氟乙烯粘结剂，再分别加入等量的N-甲基吡咯烷酮分散剂进行分散搅拌24小时，获得3组浆料。首先在铜箔上使用100μm刮刀刮涂一层掺氮量为2％的掺氮石墨烯浆料，烘干后再在所得涂层上使用100μm刮刀刮涂一层掺氮量为1％的掺氮石墨烯浆料，再次烘干后最后在所得涂层上使用100μm刮刀刮涂一层未掺氮的石墨烯浆料。所得极片烘干后即为在厚度方向上具有不同组分和不同熔融锂接触角的锂金属电池负极的不对称骨架结构。将该不对称骨架结构与普通锂片作为对电极组装半电池进行测试，电解液为双三氟甲基磺酰亚胺锂、1,3-二氧戊环、乙二醇二甲醚溶液。在1.0mAcm-2电流密度和1.0mAhcm-2充放电容量下，该电池可稳定循环50圈以上，库伦效率保持96％，通过扫描电子显微镜观察负极极片截面可见脱嵌锂时能充分利用该不对称骨架结构的孔隙空间，实现了金属锂沉积位置和溶解位置的准确调控。实施例2：取3批相同的载有Fe催化剂的氧化镁模板放入管式炉，均通入H2与CH4的1:3混合气体，在900℃下分别恒温2小时、3小时、4小时，以制备3组长度不同的碳纳米管。所得3组粉末均分别加入质量分数10％的稀盐酸浸渍搅拌以溶解去除Fe催化剂和氧化镁模板，其不溶物即为碳纳米管。分别将3组碳纳米管通过抽滤方法抽滤到滤纸上并烘干，获得3种由不同长度碳纳米管构成的碳纳米管纸。按照碳纳米管长度由短到长的顺序将3种碳纳米管纸自下而上叠放好，并压制为厚度1mm的组合负极极片，得到在厚度方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属电池负极的不对称骨架结构，其特征在于：该骨架结构具有在厚度方向上不一致的理化性质；所述不对称骨架结构按如下方法中的一种或几种方法制备而成：a.将理化性质不同的多种材料拼接或复合后制成骨架结构；b.将同种材料后处理成理化性质不一致后形成骨架结构；c.直接原位制备理化性质不一致的材料形成骨架结构。

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池负极的不对称骨架结构，其特征在于：该骨架结构具有在厚度方向上不一致的理化性质；所述不对称骨架结构按如下方法中的一种或几种方法制备而成：a.将理化性质不同的多种材料拼接或复合后制成骨架结构；b.将同种材料后处理成理化性质不一致后形成骨架结构；c.直接原位制备理化性质不一致的材料形成骨架结构。2.根据权利要求1所述的一种锂金属电池负极的不对称骨架结构，其特征在于：所述不一致的理化性质包括材料组分不一致、结构不一致、电子阻抗不一致、离子阻抗不一致、电解质接触角不一致、熔融锂接触角不一致、比表面积不一致、孔分布不一致、比孔容不一致和孔隙率不一致中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的一种锂金属电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，张睿，程新兵，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11