液态金属涂层及其制备方法和在无锂金属锂电池中的应用技术

本发明专利技术涉及一种液态金属涂层及其制备方法和在无锂金属锂电池中的应用。所述液态金属涂层包括在室温下呈液态的镓基合金的液态金属层；所述液态金属涂层用于无锂金属锂电池的负极涂层；所述镓基合金包括：镓锡合金或镓铟锡合金；所述液态金属涂层涂布于集流体上，涂布的厚度小于500nm，液态金属载量小于0.2mg/cm2。。。

【技术实现步骤摘要】
液态金属涂层及其制备方法和在无锂金属锂电池中的应用


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种液态金属涂层及其制备方法和在无锂金属锂电池中的应用。

技术介绍

[0002]日益严峻的气候变化引起的环境危机和人口增长带来的能源需求正激发全球对各种形式的先进储能技术的探索，目前，以锂离子电池体系为代表的电化学储能，因其较高的转化效率和灵活性，成为新型能源技术开发的关键要素。然而基于嵌入式反应机制的电极材料已经发展到了它们所能达到的理论极限，越来越多新型的高能量密度电极材料开始替代传统电极材料应用于锂电池。在众多高能量锂电池体系中，最接近于商业化应用的是将高能量密度的层状结构过渡金属氧化物正极与金属锂负极匹配起来，它们的应用将使锂电池的能量密度超过350Wh/kg甚至400Wh/kg，因此受到了研究人员们的广泛关注。然而，超高的容量同时也伴随着巨大的体积效应，对电极与电解液之间的界面稳定性提出挑战，加剧了电极与电解质之间的不可逆副反应。因此，这一电池体系往往伴随着较低的首周库伦效率，和较差的循环稳定性。对于这样一种高能量体系，维持锂负极与电解液之间的界面稳定就可以大大提升整个电池的循环寿命。因此，目前已有多种方案来促进金属锂在负极上的均匀沉积。
[0003]这些方案主要可分为两大类，一类通过调控固态电解质界面(SEI)膜(或人工SEI膜)的电化学性能及机械性能来促进金属锂均匀沉积；另一类是通过控制金属锂过程初始时的成核来实现金属锂均匀沉积。这些方案确实可以适当提升电池的首周库伦效率或循环稳定性，但都还存在一些局限性：性能提升效果不明显、材料在空气中不稳定、与传统电池生产工艺不兼容。为此，我们非常有必要去研发一种新型的锂负极修饰技术方案，在成本较低、工艺简单的基础上大幅提升无负极锂金属电池的能量密度。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种液态金属涂层及其制备方法和在无锂金属锂电池中的应用。使得金属锂在负极集流体上的成核形貌受到液态金属涂层的影响而变得更加有序，促进了金属锂在负极更加致密均匀地生长，减少了金属锂负极与电解液之间地接触面积，从而减少界面处不可逆副反应的量，减少了每次充放电循环中可逆锂资源的损失量，提升电池的循环稳定性，同时也提升了能量密度。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种用于无锂金属锂电池的液态金属涂层,所述液态金属涂层包括在室温下呈液态的镓基合金的液态金属层；所述液态金属涂层用于无锂金属锂电池的负极涂层；
[0006]所述镓基合金包括：镓锡合金或镓铟锡合金；
[0007]所述液态金属涂层涂布于集流体上，涂布的厚度小于500nm，液态金属载量小于0.2mg/cm2。
[0008]优选的，所述集流体包括金属集流体或非金属集流体；
[0009]所述金属集流体包括：铜、镍、钛、铂、不锈钢、康铜及其合金材料；
[0010]所述非金属集流体包括：碳膜、碳布、碳纸、碳纤维、石墨烯、MXene、导电高分子非金属材料。
[0011]第二方面，本专利技术实施例提供了一种无锂负极，所述无锂负极包括上述第一方面所述的用于无锂金属锂电池的液态金属涂层。
[0012]第三方面，本专利技术实施例提供了一种第二方面所述的无锂负极的制备方法，所述制备方法包括：
[0013]将适量的镓基合金的液态金属液滴滴于集流体表面，使用刮刀反复涂布液态金属，使液态金属均匀分散于集流体表面，并将多余的液态金属除去，形成厚度小于500nm的液态金属涂层；其中，所述镓基合金包括：镓锡合金或镓铟锡合金；
[0014]所述液态金属涂层的液态金属载量小于0.2mg/cm2。
[0015]第四方面，本专利技术实施例提供了一种第二方面所述的无锂负极的制备方法，所述制备方法包括：
[0016]将适量的液态金属液滴滴于有机溶剂中，超声分散，使液态金属液滴分散成微米级小液滴并悬浮于有机溶剂中，形成液态金属悬浊液；所述有机溶剂包括醇类、醚类、烷烃类或其卤代衍生物中的任一种；
[0017]将液态金属悬浊液均匀喷涂于集流体表面，待有机溶剂挥发以后，再使用刮刀涂布一次，使微米级的液态金属小液滴彻底均匀铺展在集流体表面，形成厚度小于500nm、液态金属载量小于0.2mg/cm2的液态金属涂层。
[0018]第五方面，本专利技术实施例提供了一种无锂金属锂电池，所述无锂金属锂电池包括：正极、电解质、隔膜和上述第二方面所述的无锂负极或由上述第三方面或第四方面所述的制备方法得到的无锂负极。
[0019]优选的，所述正极包括正极材料、导电碳、粘结剂和正极集流体；所述正极中正极材料活性物质载量为5
‑
30mg/cm2；所述正极的面积比容量为1
‑
6mAh/cm2；所述正极材料包括层状氧化物、尖晶石结构氧化物、聚阴离子型化合物中的一种或几种；其中，所述层状氧化物具体为晶体结构为α
‑
NaFeO2型的分子式为LiM1O2的氧化物，M1为过渡金属中的一种或多种，所述LiM1O2具体包括：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi
1/2
Mn
1/2
O2、LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3
O2、LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O2、LiNi
0.6
Co
0.2
Mn
0.2
O2、LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2中的一种或几种；所述尖晶石结构氧化物具体为晶体结构为尖晶石型的分子式为LiM22O4的氧化物，M2为过渡金属中的一种或多种，所述LiM22O4具体包括：LiMn2O4、LiNi
1/2
Mn
3/2
O4中的一种或几种；所述聚阴离子型化合物具体为含有聚阴离子的正极材料，所述含有聚阴离子的正极材料包括：LiFePO4、LiMnPO4、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、LiFeSO4F、LiMnSO4F中的一种或几种。
[0020]优选的，所述正极还包括：导电添加剂和粘结剂；
[0021]所述导电添加剂具体包括：乙炔黑；
[0022]所述粘结剂具体包括：聚偏氟乙烯PVDF。
[0023]优选的，所述电解质包括液态电解质、固态电解质中的一种或两种；
[0024]其中，所述液态电解质包括：常规电解液、高盐浓度电解液、局部高盐浓度电解液、全氟电解液中的任一种；
[0025]所述固态电解质包括聚合物固态电解质、氧化物固态电解质、锂磷氧氮(LiPON)型固态电解质、硫化物固态电解质中的任一种。
[0026]进一步优选的，所述高盐浓度电解液为盐浓度≥4M的电解液；其中，所述高盐浓度电解液中的电解质盐为LiFSI、LiTFSI、LiPF6、LiDFOB中的一种或多种；溶剂为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无锂金属锂电池的液态金属涂层，其特征在于，所述液态金属涂层包括在室温下呈液态的镓基合金的液态金属层；所述液态金属涂层用于无锂金属锂电池的负极涂层；所述镓基合金包括：镓锡合金或镓铟锡合金；所述液态金属涂层涂布于集流体上，涂布的厚度小于500nm，液态金属载量小于0.2mg/cm2。2.根据权利要求1所述的液态金属涂层，其特征在于，所述集流体包括金属集流体或非金属集流体；所述金属集流体包括：铜、镍、钛、铂、不锈钢、康铜及其合金材料；所述非金属集流体包括：碳膜、碳布、碳纸、碳纤维、石墨烯、MXene、导电高分子非金属材料。3.一种无锂负极，其特征在于，所述无锂负极包括上述权利要求1或2所述的用于无锂金属锂电池的液态金属涂层。4.一种上述权利要求3所述的无锂负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将适量的镓基合金的液态金属液滴滴于集流体表面，使用刮刀反复涂布液态金属，使液态金属均匀分散于集流体表面，并将多余的液态金属除去，形成厚度小于500nm的液态金属涂层；其中，所述镓基合金包括：镓锡合金或镓铟锡合金；所述液态金属涂层的液态金属载量小于0.2mg/cm2。5.一种上述权利要求3所述的无锂负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将适量的液态金属液滴滴于有机溶剂中，超声分散，使液态金属液滴分散成微米级小液滴并悬浮于有机溶剂中，形成液态金属悬浊液；所述有机溶剂包括醇类、醚类、烷烃类或其卤代衍生物中的任一种；将液态金属悬浊液均匀喷涂于集流体表面，待有机溶剂挥发以后，再使用刮刀涂布一次，使微米级的液态金属小液滴彻底均匀铺展在集流体表面，形成厚度小于500nm、液态金属载量小于0.2mg/cm2的液态金属涂层。6.一种无锂金属锂电池，其特征在于，所述无锂金属锂电池包括：正极、电解质、隔膜和上述权利要求3所述的无锂负极或由上述权利要求4或5所述的制备方法得到的无锂负极。7.根据权利要求6所述的无锂金属锂电池，其特征在于，所述正极包括正极材料、导电碳、粘结剂和正极集流体；所述正极中正极材料活性物质载量为5
‑
30mg/cm2；所述正极的面积比容量为1
‑
6mAh/cm2；所述正极材料包括层状氧化物、尖晶石结构氧化物、聚阴离子型化合物中的一种或几种；其中，所述层状氧化物具体为晶体结构为α
‑
NaFeO2型的分子式为LiM1O2的氧化物，M1为过渡金属中的一种或多种，所述LiM1O2具体包括：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi
1/2
Mn
1/2
O2、LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3

【专利技术属性】
技术研发人员：索鎏敏，林良栋，李泓，陈立泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：