锂合金负极薄膜及其制备方法和二次锂金属电池技术

本发明专利技术公开了一种锂合金负极薄膜及其制备方法和二次锂金属电池，该锂合金负极薄膜包括基底箔材，以及设置在所述基底箔材上的合金膜层，所述合金膜层的成分至少由锂金属和M材料组成，所述M材料为金属或无机非金属，所述M材料和锂金属的质量比为(0.01～50)：100。本发明专利技术制得的锂合金负极薄膜平整光滑，没有褶皱缺陷和毛刺，同时具有更佳的电化学性能，能够显著提升锂金属电池的循环性能；且本发明专利技术提高的制备方法简单且安全高效，易于实现大规模生产，可以用于液态、半固态、准固态、全固态锂金属电池中。属电池中。属电池中。

【技术实现步骤摘要】
锂合金负极薄膜及其制备方法和二次锂金属电池


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体涉及一种锂合金负极薄膜及其制备方法和二次锂金属电池。

技术介绍

[0002]近年来，电动汽车和3C电子设备迅速发展，对电池的能量密度提出了更高的要求，锂金属具有3860mAh/g的理论比容量，且氧化还原电势极低(
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3.045V vs.NHE),因此锂金属直接作为负极材料一直备受研究者的广泛关注。但锂金属负极在充放电过程中的不均匀沉积
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溶出会导致锂枝晶的不可控生长，并且锂枝晶与电解质反应消耗电解液，易刺穿隔膜导致电池短路等问题。
[0003]目前，研究人员利用不同的工艺方法来制备锂合金负极来抑制锂枝晶的生长，Yongming Sun等人通过在裸露铜箔上利用磁控溅射技术溅射锡层制得锡铜复合带，其次采用涂布技术将锂金属液体均匀涂布到锡铜复合带上制得超薄Li
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Sn电极。但磁控溅射条件苛刻且工艺复杂不利于工业化生产。该方法需要使用到锂金属液转移涂布，不利于薄膜电极的规模化生产。有的公司通过将集流体与锂金属激光焊接制得锂金属负极材料，该方法制备工艺要求高，且激光焊接不利于锂金属与集流体进行电子转移。还有的公司利用电镀方式将金属锂沉积在集流体上，利用电镀法制备薄膜易出现金属分布不均匀，薄膜表面出现部分毛刺等严重问题。
[0004]磁控溅射工艺要求高、制备工艺复杂不利于工业化，熔融后转合金液转移步骤安全问题要求高，且步骤繁杂，不利于规模化生产。电镀法易造成金属分布不均匀，薄膜表面出现毛刺等问题。目前商用锂金属薄膜主要通过压延法，但锂金属柔软，辊压后极易产生褶皱缺陷，影响其电化学性能。故研发出一种不会造成锂合金负极薄膜褶皱缺陷和毛刺的方法，显得尤为重要，此外，该制备方法还应保证所制备的锂金属电池具备优异的循环性能。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术提出了一种锂合金负极薄膜及其制备方法和二次锂金属电池，制得的锂合金负极薄膜平整光滑，没有褶皱缺陷和毛刺，同时具有更佳的电化学性能。
[0006]具体通过以下技术方案实现：
[0007]一种锂合金负极薄膜，包括基底箔材，以及设置在所述基底箔材上的合金膜层，所述合金膜层的成分至少由锂金属和M材料组成，所述M材料为金属或无机非金属，所述M材料和锂金属的质量比为(0.01～50)：100，M材料和锂金属的质量比若低于该范围，则对提升锂负极薄膜的性能没有意义；M材料和锂金属的质量比若高于该范围，则活性锂金属的含量太低，影响锂合金负极薄膜的比容量。
[0008]进一步地，所述M材料为单质的钠、钾、铷、铯、铍、镁、钙、锶、钡、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锌、锡、硼、铝、镓、铟、银、锗、铅、锑、铋以及上述单质的氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、
硫化物和氧化物中的一种或者多种。
[0009]进一步地，所述基底箔材为铜箔、铝箔、不锈钢箔、聚酰亚胺膜、涂碳铜箔、涂碳铝箔、涂碳不锈钢箔、涂碳聚酰亚胺膜、石墨烯膜或碳纤维膜、泡沫铜、泡沫镍、泡沫铁、泡沫钛、不锈钢网。
[0010]本专利技术还提供上述锂合金负极薄膜的制备方法，包括：
[0011]准备锂金属合金液，将所述锂金属合金液涂布在所述基底箔材上，然后进行固化、辊压，得到锂合金负极薄膜；
[0012]其中，所述基底箔材的走布速度为0.1cm～10m/分钟，可以防止走步太快造成龟裂或者气泡，控制成膜的均匀性和致密性；准备锂金属合金液的步骤包括将锂金属和M材料放置在料槽处，料槽内加热温度为200～600℃，料槽内机械搅拌器的转速为1～10000转/分钟，搅拌时间为1分钟～10小时。
[0013]具体地，通过1～10级鼓风干燥箱进行固化，每一级烘箱内的温度为30～300℃。
[0014]具体地，辊压时的辊压率为0.1％～60％，通过辊压能够进一步的保证锂合金负极薄膜的致密度，通过不同的辊压率控制不同的致密度。锂合金负极薄膜越致密，有助于锂离子的沉积，越有利于薄膜内部导电，提升锂合金负极薄膜的比容量。
[0015]进一步地，采用刮刀涂布法，具体步骤为：
[0016]在环境露点温度为
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100℃～0℃和氮气、氩气或者空气氛围条件下，将锂金属和M材料放置在料槽处，料槽内加热温度为200～600℃，加热熔融得到Li
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M合金液，料槽内机械搅拌器的转速为1～10000转/分钟，搅拌时间为1分钟～10小时。刮刀表面与所述基底箔材之间的距离为0.1μm～1000μm，刮刀的加热温度为200～600℃，对刮刀加热以防止Li
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M合金液在刮刀上因低温而固化，从而不能均匀涂布。所述基底箔材的走布速度为0.1cm～10m/分钟，将所述Li
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M合金液涂布在所述基底箔材上，刮刀下方辊子温度为200～600℃，控制该辊子的温度在200～600℃，可以进一步确保负极薄膜表面的平整性，防止合金液急速降温固化造成表面裂纹，经过1～10级鼓风干燥箱进行固化，每一级烘箱内的温度为30～300℃，经过热辊进行辊压，热辊温度为30～300℃，辊压率为0.1％～60％，制得锂合金负极薄膜。
[0017]更进一步地，根据需要，可以选择在基底箔材上单面或者双面涂布所述Li
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M合金液。
[0018]进一步地，采用挤压涂布法，具体步骤为：
[0019]在环境露点温度为
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100℃～0℃和气体氛围存在的条件下，将锂金属和M材料放置在料槽处，料槽内加热温度为200～600℃，加热熔融得到Li
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M合金液，料槽内机械搅拌器的转速为1～10000转/分钟，搅拌时间为1分钟～10小时，利用螺杆的旋转将所述Li
‑
M合金液通过挤压传送至狭缝出料口处，将所述Li
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M合金液涂布在所述基底箔材上，涂布后第一个辊子的温度为200～600℃，经过1～10级鼓风干燥箱进行固化，每一级烘箱内的温度为30～300℃，经过热辊进行辊压，热辊温度为30～300℃，辊压率为0.1％～60％，制得锂合金负极薄膜；
[0020]其中，螺杆的转速为1～10000转/分钟，狭缝出料口的缝隙为1μm～1000μm，狭缝出料口与箔材的垂直距离为1～10000μm，螺杆运动区以及狭缝出料口的加热温度为200～600℃。
[0021]进一步地，所述气体氛围为空气、氮气或者氩气。同时，环境露点温度为
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100～0
℃，露点温度越高说明空气中水蒸气含量越高，空气越潮湿，反之，空气越干燥，因此露点温度的高低可以说明空气的潮湿程度。规定露点温度也就规定了环境湿度，保证在该条件下锂金属涂布可以进行，环境气氛不与锂金属发生化学反应。
[0022]更进一步地，根据需要，可以选择在基底箔材上单面或者双面涂布所述Li
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M合金液。
[0023]本专利技术中的辊压率为：(辊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂合金负极薄膜，其特征在于，包括基底箔材，以及设置在所述基底箔材上的合金膜层，所述合金膜层的成分至少由锂金属和M材料组成，所述M材料为金属或无机非金属，所述M材料和锂金属的质量比为(0.01～50)：100。2.根据权利要求1所述的锂合金负极薄膜，其特征在于，所述M材料为单质的钠、钾、铷、铯、铍、镁、钙、锶、钡、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锌、锡、硼、铝、镓、铟、银、锗、铅、锑、铋及其氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫化物和氧化物中的一种或者多种。3.根据权利要求1所述的锂合金负极薄膜，其特征在于，所述基底箔材为铜箔、铝箔、不锈钢箔、聚酰亚胺膜、涂碳铜箔、涂碳铝箔、涂碳不锈钢箔、涂碳聚酰亚胺膜、石墨烯膜或碳纤维膜、泡沫铜、泡沫镍、泡沫铁、泡沫钛、不锈钢网。4.一种根据权利要求1～3任一项所述的锂合金负极薄膜的制备方法，其特征在于，包括：准备锂金属合金液，将所述锂金属合金液涂布在所述基底箔材上，然后进行固化、辊压，得到锂合金负极薄膜；其中，所述基底箔材的走布速度为0.1cm～10m/分钟，准备锂金属合金液的步骤包括将锂金属和M材料放置在料槽处，料槽内加热温度为200～600℃，料槽内机械搅拌器的转速为1～10000转/分钟，搅拌时间为1分钟～10小时。5.根据权利要求4所述的锂合金负极薄膜的制备方法，其特征在于，通过1～10级鼓风干燥箱进行固化，每一级烘箱内的温度为30～300℃。6.根据权利要求4所述的锂合金负极薄膜的制备方法，其特征在于，辊压时的辊压率为0.1％～60％。7.根据权利要求4所述的锂合金负极薄膜的制备方法，其特征在于，采用刮刀涂布法，具体步骤为：在环境露点温度为
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100℃～0℃和氮气、氩气或者空气氛围条件下，将锂金属和M材料放置料槽处，料槽内加热温度为200～600℃，料槽内机械搅拌器的转速为1～10000转/分钟，搅拌时间为1分钟～10小时，加热熔融得到Li
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【专利技术属性】
技术研发人员：卞均操，梁一，卢周广，赵予生，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：