一种有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法技术

本发明专利技术公开了一种有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法，具体包括以下步骤：用溶剂将有机聚合物溶解形成均一的溶液A；向溶液A中加入防沉降添加剂并进行超声分散和搅拌，获得均匀分布的溶液B；向溶液B中加入无机锂盐并进行超声分散和搅拌，得到均匀、稳定的涂层浆料；将涂层浆料喷涂在锂金属电极表面，烘干后即在锂金属电极表面涂覆了一层均匀的有机/无机复合涂层。本发明专利技术一种简单高效的方式在锂金属表面制备出一种有机/无机复合涂层，改善锂金属电极的安全性和循环稳定性。改善锂金属电极的安全性和循环稳定性。改善锂金属电极的安全性和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法


[0001]本专利技术涉及电极材料
，具体涉及一种有机/无机复合涂层 用于锂金属电极表面改性的方法。

技术介绍

[0002]在环境恶化和国际能源危机的双重压力下，建设与发展可持续能 源体系已成为社会关注的焦点。采用可再生能源替代传统能源，能够 有效减缓环境恶化，进一步解决当今社会发展的能源危机问题。可再 生能源包括风能、太阳能、水能、地热能等非化石能源，是清洁能源， 但是这些能源都具有输出不稳定，储存转移困难等问题。高能量密度 的电化学储能器件的研究为可再生能源的持续利用提供了可能，特别 是在国家提出碳达峰、碳中和的目标后，储能领域发展迅猛。其中， 开发高能量密度的电极材料是高性能电化学储能器件研究的重点。
[0003]锂金属是一种前景广阔的负极材料，具有最低的电化学标准电极 电位(
‑
3.04V vs SHE)，理论比容量高达3860mAh g
‑1。使用锂金属电 池替代当前市场化的锂离子电池可以有效降低器件的整体质量，从而 提高电池能量密度。但是，锂金属的化学性质太过活泼，使锂金属电 池无论是加工、保存还是使用过程中，对于环境的要求都非常高。更 为严重的是，在锂金属电池充放电循环过程中，金属锂形核生长不均 匀，会不断生成锂枝晶从而导致“死锂”的产生，降低电池的库仑效率和 循环寿命。若枝晶持续生长乃至刺穿隔膜，还会引发电池短路，甚至 起火爆炸。目前，研究工作主要集中在如何抑制锂枝晶的形成和生长 上，从而提高锂金属电池的安全性，如使用固态电解质(SSE)、三维 集流体、人工涂层等。
[0004]在各种方向中，人工涂层是操作最为简单，最有希望实现产业化 的改性方式。LiF涂层中无机锂盐对锂离子传输的低能垒和高表面能有 助于锂金属形成平坦和鳞片状的沉积形貌；涂层的机械强度还能抑制 枝晶生长，防止其刺破隔膜。

技术实现思路

[0005]鉴于目前存在的上述不足，本专利技术提供一种有机/无机复合涂层用 于锂金属电极表面改性的方法，由无机锂盐、有机聚合物和防沉降添 加剂组成的涂层均匀地涂覆在锂金属电极的表面，无机锂盐充当离子 导体，为锂离子的传输提供通道；有机聚合物将无机锂盐和防沉降添 加剂有机的结合在一起，调节涂层的机械性能；防沉降添加剂用以提 高无机锂盐在浆料中的分散能力，提高涂层浆料的均匀性。通过有机/ 无机复合涂层的设计，提高锂金属电极的电化学性能，扣式对称电池 在50～60h的形核过电势低至24mV，经470h长循环后无明显短路现 象，进而改善锂金属电极的安全性和循环稳定性。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供一种有机/无机复合涂层用于锂金属 电极表面改性的方法，具体包括以下步骤：
[0007]用溶剂将有机聚合物溶解形成均一的溶液A；
[0008]向溶液A中加入防沉降添加剂并进行超声分散和搅拌，获得均匀分 布的溶液B；
[0009]向溶液B中加入无机锂盐并进行超声分散和搅拌，得到均匀、稳定 的涂层浆料；
[0010]将涂层浆料喷涂在锂金属电极表面，烘干后即在锂金属电极表面涂 覆了一层均匀的有机/无机复合涂层。
[0011]依照本专利技术的一个方面，所述涂层浆料的有机聚合物和无机锂盐 的质量比为1:20～1:4。
[0012]依照本专利技术的一个方面，所述涂层浆料的防沉降添加剂和无机锂 盐的质量比为1:40～1:5。
[0013]依照本专利技术的一个方面，所述有机聚合物包括石蜡、聚甲基丙烯 酸甲酯、酚醛树脂和聚偏氟乙烯中的一种或多种。
[0014]依照本专利技术的一个方面，所述溶剂为有机溶剂，所述有机溶剂包 括四氢呋喃、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯 酯中一种或多种。
[0015]依照本专利技术的一个方面，所述防沉降添加剂包括气相二氧化硅、 有机膨润土、蓖麻油衍生物和聚烯烃蜡微粒中的一种或多种。
[0016]依照本专利技术的一个方面，所述无机锂盐包括LiF、LiCl、LiBr、LiI 和Li2O中的一种或多种。
[0017]依照本专利技术的一个方面，所述涂层浆料的固含量的质量分数为 1％～20％。
[0018]依照本专利技术的一个方面，所述锂金属电极表面喷涂涂层浆料的厚 度为5～100um。
[0019]依照本专利技术的一个方面，所述烘干方式包括惰性气氛干燥、真空 干燥以及无水干燥室干燥中的一种或几种，干燥时间为2～20h。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术流程短，对环境要求低。该有机/无机复合涂层用于锂 金属电极表面改性的方法主要包括两部分，一是涂层浆料的混合过程， 二是锂金属表面涂层的制备过程。实际操作中第一部分操作可直接在 空气中进行，降低了整个改性过程对环境的要求。
[0022](2)本专利技术操作简单，无需各物相间发生化学反应即可实现，通 过调节浆料中无机锂盐和有机聚合物的种类和比例可以实现涂层形貌 和性能调节。
[0023](3)本专利技术一种有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的 方法，对电池性能提升明显。有机/无机复合涂层良好的锂离子传输能 力以及良好的机械性能，能够促进锂离子的均匀沉积，有效地阻挡枝 晶刺穿隔膜，提升电池的安全性和循环稳定性。改性锂金属极片组装 成对称电池，电池安全性提升明显，短路时间高达470h，相较未改性 锂锂对称电池，短路时间提升至400％。
[0024](4)本专利技术的电极材料包括锂金属和负载在其表面的有机/无机 复合涂层，所述锂金属和有机/无机复合涂层通过一步反应有机的结合 在一起，兼顾电极材料的机械稳定性和锂离子的传输性能，通过二者 的协同作用提高电极材料的综合电化学性能。改性电极组装成扣式对 称电池后经470h长循环后无明显短路现象，在50～60h的形核过电势 低至24mV。
附图说明
[0025]图1为未改性的锂金属极片与实施例1所制得涂层改性锂金属极 片的XRD图；
[0026]图2a为实施例1所制得涂层改性锂金属极片放大500倍下的SEM 图、图2b为实施例
1所制得涂层改性锂金属极片放大2000倍下的SEM 图、图2c为实施例1所制得涂层改性锂金属极片放大20000倍下的SEM 图；
[0027]图3a为实施例1所制得涂层改性锂金属极片组装的锂锂对称电池 恒流充放电测试曲线、图3b为实施例1所制得涂层改性锂金属极片组 装的锂锂对称电池50～60h详细时间电压变化图；
[0028]图4a为未改性的锂金属极片的恒流放电电性能图、图4b为实施 例1所制得涂层改性锂金属极片组装的锂锂对称电池的恒流放电性能 图；
[0029]图5为未改性的锂金属极片与实施例1所制得涂层改性锂金属极 片与商业化磷酸铁锂正极片组装的全电池的倍率性能测试图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本 专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：用溶剂将有机聚合物溶解形成均一的溶液A；向溶液A中加入防沉降添加剂并进行超声分散和搅拌，获得均匀分布的溶液B；向溶液B中加入无机锂盐并进行超声分散和搅拌，得到均匀、稳定的涂层浆料；将涂层浆料喷涂在锂金属电极表面，烘干后即在锂金属电极表面涂覆了一层均匀的有机/无机复合涂层。2.根据权利要求1所述的有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法，其特征在于，所述涂层浆料的有机聚合物和无机锂盐的质量比为1:20～1:4。3.根据权利要求1所述的有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法，其特征在于，所述涂层浆料的防沉降添加剂和无机锂盐的质量比为1:40～1:5。4.根据权利要求1所述的有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法，其特征在于，所述有机聚合物包括石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂和聚偏氟乙烯中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的有机/无机复合涂层用于锂金属电极表面改性的方法，其特征在于，所述溶剂为有机溶剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭文杰，易波，李广超，李新海，王志兴，郭华军，胡启阳，王接喜，颜果春，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：