一种具有界面纳米片保护层的锂负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有界面纳米片保护层的锂负极，包括锂负极基体，锂负极基体表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片界面层。其制备方法为：将石墨相氮化碳纳米片粉末加入有机溶剂中进行分散，制备成石墨相氮化碳纳米片分散液；将石墨相氮化碳纳米片分散液滴涂在锂负极基体表面，待溶剂挥发后在锂负极表面形成石墨相氮化碳纳米片界面层，得到具有界面纳米片保护层的锂负极。本发明专利技术在锂负极基体表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片界面层，石墨相氮化碳纳米片中丰富且均匀分布的氮原子可以与锂离子发生相互作用形成瞬态Li‑N键，从而调节锂离子通量并实现稳定的沉积过程，有助于减少锂枝晶和死锂的生成，减少极化。

【技术实现步骤摘要】
一种具有界面纳米片保护层的锂负极及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池材料领域，尤其涉及一种具有界面纳米片保护层的锂负极及其制备方法。
技术介绍
自1991年Sony公司首次将锂离子电池商业化以来，锂离子电池已经成为当前储能技术中最重要的技术之一。如今，锂离子电池在便携式电子设备，电动汽车和电站储能等领域具有广泛应用。然而，经过几十年的发展，采用石墨负极的商用锂离子电池已经接近其理论能量密度的极限(～250Whkg-1)，无法满足储能领域对电池能量密度要求的快速增长，因此迫切需要开发具有更高能量密度的负极材料。锂金属负极因其具有较高的理论容量(3860mAhg-1)和较低的电极电势(-3.04Vvs.SHE)而成为负极材料的“圣杯”。用锂金属代替石墨负极后，LMO|Li电池(LMO是锂过渡金属氧化物)的质量能量密度可以达到～440Whkg-1。因此，锂负极是下一代电池最有潜力的负极之一。然而金属锂的高反应活性会与电解液持续反应，进而导致表面SEI膜不断生成，从而降低了库伦效率；同时锂的不均匀沉积导致锂枝晶生长刺穿隔膜容易引发短路。因此，需要对锂负极的稳定性进行改善。公开号为CN109004276A的专利文献中，采用锂盐、离子液体、无机物纳米颗粒和锂化处理的Nafion聚合物混合，制备成具有良好稳定性和离子电导率的锂负极保护膜，但是该方法需要的物料种类较多，工艺较复杂。公开号为CN109148826A的专利文献中，采用磁控溅射法在锂负极表面制备了LiF层，使其具有良好的锂离子电导率，但是该方法对设备要求较高，工艺复杂且难以大规模生产。公开号为CN110311093A的专利文献中，在锂负极表面引入石墨烯薄膜来减小界面阻抗，调控锂均匀形核，但是石墨烯缺少能与锂离子产生相互作用的官能团，因此，均匀锂离子沉积的作用较弱。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种具有界面纳米片保护层的锂负极及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种具有界面纳米片保护层的锂负极，包括锂负极基体，所述锂负极基体表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片界面层。上述的锂负极，优选的，石墨相氮化碳纳米片在锂负极基体上的负载量为0.01-1mgcm-2。上述的锂负极，优选的，所述石墨相氮化碳纳米片界面层的厚度为1-10μm。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的具有界面纳米片保护层的锂负极的制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨相氮化碳纳米片加入有机溶剂中进行分散，制备成浓度为0.1-10mgml-1的石墨相氮化碳纳米片分散液；(2)将石墨相氮化碳纳米片分散液滴涂在锂负极基体表面，待溶剂挥发后在锂负极表面形成石墨相氮化碳纳米片界面层，得到具有界面纳米片保护层的锂负极。上述的制备方法，优选的，所述石墨相氮化碳纳米片是热聚合法制备的石墨相氮化碳纳米片，其厚度为1-50nm。上述的制备方法，优选的，所述石墨相氮化碳纳米片的具体制备过程为：(a)将尿素置于陶瓷坩埚中，盖上盖子，放入高温炉中，升温至400-600℃，并保温1-6h，得到石墨相氮化碳；(b)将所述石墨相氮化碳加入去离子水中，先采用细胞粉碎机对其进行分散处理，使石墨相氮化碳被完全剥离成纳米片，然后进行浓缩、干燥，即得到石墨相氮化碳纳米片粉末。上述的制备方法，优选的，步骤(b)中，采用细胞粉碎机进行分散处理的时间为0.5-24h。上述的制备方法，优选的，步骤(b)中，浓缩是指将分散液在1000-10000rmin-1的离心转速下进行离心处理0.1-15min。上述的制备方法，优选的，步骤(b)中，干燥是指冷冻干燥，冷冻干燥的时间为2-4天。上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，有机溶剂选自1,3-二氧五环、N-甲基吡咯烷酮、N、N-二甲基甲酰胺、N、N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、乙腈、丁二腈的一种或几种。上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，分散是指超声分散，超声分散的时间为1-10min。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术在锂负极基体表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片界面层，石墨相氮化碳纳米片中丰富且均匀分布的氮原子可以与锂离子发生相互作用形成瞬态Li-N键，从而调节锂离子通量并实现稳定的沉积过程，有助于减少锂枝晶和死锂的生成，减少极化。(2)本专利技术在锂负极基体表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片界面层，石墨相氮化碳纳米片层很薄，且分子结构中存在空洞，也有利于锂离子在高电流密度下的快速传输。(3)本专利技术在锂负极基体表面上覆盖有一层石墨相氮化碳纳米片界面层，石墨相氮化碳纳米片电子电导低且具有一定的力学强度，能够抑制锂枝晶的刺穿，防止电池短路。(4)本专利技术在石墨相氮化碳纳米片的过程中，采用细胞粉碎机超声剥离本体石墨相氮化碳，细胞粉碎机超声功率大，剥离效率高，可以得到厚度仅为1nm的石墨相氮化碳纳米片。(5)本专利技术通过直接滴涂法在锂负极表面形成石墨相氮化碳界面层，工艺简单。附图说明图1是本专利技术实施例中由尿素通过煅烧制备的石墨相氮化碳的反应过程示意图。图2是本专利技术实施例中制备石墨相氮化碳纳米片的原子力显微镜图。图3是本专利技术是实施例1中石墨相氮化碳改性锂负极截面的SEM图。图4是本专利技术实施例1中负载氮化碳锂负极表面的XPS图。图5是本专利技术对比例的锂对称电池循环性能图。图6是本专利技术实施例1的锂对称电池循环性能图。图7是本专利技术实施例1和对比例的锂负极制备成的NMC622正极全电池的倍率性能图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。实施例1(CN1)：一种本专利技术的具有界面纳米片保护层的锂负极，包括锂片，锂片表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片，石墨相氮化碳纳米片在锂片上的负载量为0.04mgcm-2。本实施例的具有界面纳米片保护层的锂负极的制备方法如下：(1)称取适量尿素置于陶瓷坩埚中，盖上盖子，在高温炉中以5℃min-1的升温速率升温至550℃，并保温4h，得到淡黄色块体石墨相氮化碳；将得到的淡黄色块体石墨相氮化碳研磨成粉末，然后将适量的粉末与去离子水混合，配成浓度为1mgml-1的溶液，采用细胞粉碎机对该溶液超声处理1h使石墨相氮化碳完全剥离成纳米片，形成白色分散液；再将制得的白色分散液以10,000rpm的转速离心5分钟，得到浓缩液，最后将浓缩液冷冻干燥3天，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有界面纳米片保护层的锂负极，其特征在于，包括锂负极基体，所述锂负极基体表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片界面层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有界面纳米片保护层的锂负极，其特征在于，包括锂负极基体，所述锂负极基体表面上覆有一层石墨相氮化碳纳米片界面层。


2.如权利要求1所述的锂负极，其特征在于，石墨相氮化碳纳米片在锂负极基体上的负载量为0.01-1mgcm-2。


3.如权利要求1或2所述的锂负极，其特征在于，所述石墨相氮化碳纳米片界面层的厚度为1-10μm。


4.一种如权利要求1-3任一项所述的具有界面纳米片保护层的锂负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨相氮化碳纳米片粉末加入有机溶剂中进行分散，制备成浓度为0.1-10mgml-1的石墨相氮化碳纳米片分散液；
(2)将石墨相氮化碳纳米片分散液滴涂在锂负极基体表面，待溶剂挥发后在锂负极表面形成石墨相氮化碳纳米片界面层，得到具有界面纳米片保护层的锂负极。


5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述石墨相氮化碳纳米片粉末是热聚合法制备的石墨相氮化碳纳米片，其厚度为1-50nm。


6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄子龙，黄鹏程，涂飞跃，鞠博伟，匡鲤萍，龚毅，马鹏程，曹景超，覃事彪，
申请(专利权)人：长沙矿冶研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43