锂金属负极片及其制备方法、二次电池技术

本发明专利技术属于电池技术领域，尤其涉及一种锂金属负极片及其制备方法，以及一种二次电池。其中，锂金属负极片包括负极活性层，所述负极活性层包括碳材料骨架，所述碳材料骨架具有三维孔结构，在所述三维孔结构的孔隙中含有亲锂材料和金属锂；所述亲锂材料的粒径D50不高于120nm；所述金属锂的粒径D50不高于120nm；所述三维孔结构的孔隙率为30％～70％，孔径为10～100m。本发明专利技术提供的锂金属负极片，包括具有三维孔结构的碳材料骨架，三维孔结构的孔隙内含有亲锂材料和金属锂，缓解了锂金属负极片表面容易生长锂枝晶的风险，同时提高了锂金属负极片的循环稳定性、安全性能。安全性能。安全性能。

【技术实现步骤摘要】
锂金属负极片及其制备方法、二次电池


[0001]本专利技术属于电池
，尤其涉及一种锂金属负极片及其制备方法，以及一种二次电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上如移动电话、数码摄像机和手提电脑得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面，因此对锂离子电池的性能要求越来越高。
[0003]目前，锂离子电池构成了当前电动车的主要储能装置，锂离子电池能量密度的提升是电动汽车实现广泛应用的必要条件。相比于目前成熟使用的负极材料，锂金属负极具有克容量高的优势，在提高电池能量密度方面有较大的应用空间。但是，锂电池循环过程中，锂金属负极溶解、生长，造成本体体积改变，容易造成锂金属粉化或产生锂枝晶，进而引起电池形变，甚至导致电池短路，同时影响电池库伦效率和循环性能。另外，由于金属锂具有很高的活性，在传统液态电解液中，很难形成稳定的固体电解质界面膜(SEI膜)，从而造成金属锂负极的不断消耗，SEI膜不断增厚，锂负极结构变化。
[0004]目前，为抑制锂枝晶，现有技术中提出了多种方案，例如：具有三维结构的锂金属负极、具有保护层的平面锂金属负极等。但是，具有保护层的锂金属负极，由于循环过程中体积变化大，保护层容易破损，寿命提高有限；而具有三维结构的锂金属负极循环寿命高，但其结构复杂，尚停留在实验室阶段，不能与现有工艺、设备相兼容，应用实施困难。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种锂金属负极及其制备方法，以及一种二次电池，旨在一定程度上解决现有锂金属负极片在循环过程中易形成锂枝晶的问题。
[0006]为实现上述申请目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种锂金属负极片，锂金属负极片包括负极活性层，负极活性层包括碳材料骨架，碳材料骨架具有三维孔结构，在三维孔结构的孔隙中含有亲锂材料和金属锂；亲锂材料的粒径D50不高于120nm；金属锂的粒径D50不高于120nm；三维孔结构的孔隙率为30～70％，孔径为10～100μm。
[0008]本专利技术第一方面提供的锂金属负极片，通过具有三维孔结构的碳材料骨架和充在其孔隙内的亲锂材料和金属锂的相互协同作用，不但使负极片有较高的容量，满足高能量密度电池的应用需求，而且循环稳定性好，安全性高，适用寿命长。
[0009]进一步地，亲锂材料选自Ag单质、Ga单质、Sn单质、Al单质、Si单质、CuO中的至少一种；这些材料具有与锂相似的晶格参数，具有较好的亲锂特性，均能诱导锂离子在其表面沉积结合。
[0010]进一步地，亲锂材料的粒径D50为50～120nm，该粒径大小的亲锂材料最负极片中
有最佳的亲锂效果，对负极片锂枝晶的形成有最佳的抑制作用。
[0011]进一步地，碳材料骨架包括炭黑、石墨烯、碳纳米管中的至少一种；这些碳材料不但导电性能优异，有利于电子迁移传输，而且可形成多孔隙的三维结构。
[0012]进一步地，金属锂的粒径D50为80～120nm；该粒径大小的金属锂有利于均匀地分布到负极片的碳材料骨架的三维孔结构的孔隙中，为锂金属负极片提供均匀稳定的补锂效果。
[0013]进一步地，碳材料骨架与亲锂材料和金属锂之间通过粘结剂结合。通过粘结剂提高负极片中碳材料骨架的稳定性，同时提高亲锂材料与金属锂在骨架中的填充稳定性。
[0014]进一步地，粘结剂选自羧甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯中的至少一种。这些粘结剂均有较好的粘接性，可提高碳材料骨架以及亲锂材料和金属锂的结合紧密性，从而提高锂金属负极片的稳定性。
[0015]进一步地，锂金属负极片中，碳材料骨架、亲锂材料、金属锂和粘结剂的质量比为(50～70)：(20～40)：(5～15)：(6～8)，该配比兼顾了锂金属负极片的循环稳定性、安全性、导电性、容量等综合性能。
[0016]第二方面，本专利技术提供一种锂金属负极片的制备方法，包括以下步骤：
[0017]在保护气氛下，将碳材料、亲锂材料、金属锂、粘结剂与溶剂混合，制成混合浆料；亲锂材料的粒径D50不高于120nm；金属锂的粒径D50不高于120nm；碳材料骨架具有三维孔结构，孔隙率为30～70％，孔径为10～100μm；
[0018]将混合浆料在负集流体表面成膜处理，干燥得到锂金属负极片。
[0019]本专利技术第二方面锂金属负极片的制备方法，操作简单，能够与现有设备和工艺相兼容，适用于工业化大规模生产和应用，且制备的锂金属负极片包括具有三维孔结构的碳材料骨架，三维孔结构骨架的孔隙内含有亲锂材料和金属锂，缓解了锂金属负极片表面容易生长锂枝晶的风险，同时提高了锂金属负极片的循环稳定性、安全性能以及容量。
[0020]进一步地，混合浆料的固含量为40～70％；有利于混合浆料成膜处理，固含量过低或过高，都不利于混合浆料在负集流体表面沉积成膜。
[0021]进一步地，混合浆料中，碳材料、亲锂材料、金属锂和粘结剂的质量比为(50～70)：(20～40)：(5～15)：(6～8)，该配比兼顾了锂金属负极片的循环稳定性、安全性、导电性、容量等综合性能。
[0022]进一步地，溶剂选自N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N
‑
二甲基氨基丙胺、环氧乙烷、四氢呋喃中的至少一种，这些溶剂对碳材料、亲锂材料、金属锂、粘结剂等组分均有较好的溶解或分散作用，可使各原料组分形成分散均匀稳定的混合浆料，提高混合浆料的成膜性能。
[0023]进一步地，将混合浆料在负集流体表面成膜处理的步骤包括：在水含量小于1ppm，氧含量小于2ppm的保护气氛下，将碳材料、亲锂材料、金属锂、粘结剂与溶剂制成混合浆料后，涂覆在负集流体表面，涂覆厚度为20～120μm；该沉积厚度充分确保了负极片的容量，使其适用于不同电池体系对负极片容量的要求。
[0024]进一步地，干燥的处理条件包括：在温度为60～90℃的惰性气氛下干燥除去溶剂。该干燥条件既避免了干燥过程中水氧等环境因素对负极片中锂活泼金属的影响，又避免温度过高对亲锂材料及金属锂的影响。
[0025]进一步地，亲锂材料选自Ag单质、Ga单质、Sn单质、Al单质、Si单质、CuO中的至少一种；这些材料具有与锂相似的晶格参数，具有较好的亲锂特性，均能诱导锂离子在其表面沉积结合。
[0026]进一步地，亲锂材料的粒径D50为50～120nm；该粒径大小的亲锂材料最负极片中有最佳的亲锂效果，对负极片锂枝晶的形成有最佳的抑制作用。
[0027]进一步地，碳材料包括炭黑、石墨烯、碳纳米管中的至少一种；这些碳材料不但导电性能优异，有利于电子迁移传输，而且可形成多孔隙的三维结构。
[0028]进一步地，金属锂的粒径D50为80～120nm；该粒径大小的金属锂有利于均匀地分布到负极片的碳材料骨架的三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属负极片，其特征在于，所述锂金属负极片包括负极活性层，所述负极活性层包括碳材料骨架，所述碳材料骨架具有三维孔结构，在所述三维孔结构的孔隙中含有亲锂材料和金属锂；所述亲锂材料的粒径D50不高于120nm；所述金属锂的粒径D50不高于120nm；所述三维孔结构的孔隙率为30～70％，孔径为10～100μm。2.如权利要求1所述的锂金属负极片，其特征在于，所述亲锂材料选自Ag单质、Ga单质、Sn单质、Al单质、Si单质、CuO中的至少一种；和/或，所述亲锂材料的粒径D50为50～120nm。3.如权利要求1或2所述的锂金属负极片，其特征在于，所述碳材料骨架包括炭黑、石墨烯、碳纳米管中的至少一种；和/或，所述金属锂的粒径D50为80～120nm；和/或，所述碳材料骨架与所述亲锂材料和所述金属锂之间通过粘结剂结合。4.如权利要求3所述的锂金属负极片，其特征在于，所述粘结剂选自羧甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯中的至少一种。5.如权利要求4所述的锂金属负极片，其特征在于，所述锂金属负极片中，所述碳材料骨架、所述亲锂材料、所述金属锂和所述粘结剂的质量比为(50～70)：(20～40)：(5～15)：(6～8)。6.一种锂金属负极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在保护气氛下，将碳材料、亲锂材料、金属锂、粘结剂与溶剂混合，制成混合浆料；所述亲锂材料的粒径D50不高于120nm；所述金属锂的粒径D50不高于120nm；所述碳材料骨架具有三维孔结构，孔隙率为30～70％，孔径为10～100μm；将所述混合浆料在负集流体表面成膜处理，干燥得到锂金属负极片。7.如权利要求6所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成林，
申请(专利权)人：恒大新能源技术深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：