一种高比能锂金属电池制备方法技术

一种高比能锂金属电池制备方法，它属于锂金属电池技术领域。本发明专利技术要解决现有锂金属电池实际能量密度低、无负极锂金属电池无稳定容量以及锂金属电池中的枝晶问题。方法：一、制备富锂材料正极片；二、制备MXene薄膜；三、组装。本发明专利技术用于一种高比能锂金属电池制备。本发明专利技术用于一种高比能锂金属电池制备。本发明专利技术用于一种高比能锂金属电池制备。

【技术实现步骤摘要】
一种高比能锂金属电池制备方法


[0001]本专利技术属于锂金属电池


技术介绍

[0002]锂离子电池作为一种新型电化学储能装置，在各种应用场景中占比最高，而传统锂离子电池的质量能量密度不超过350Wh/kg，体积能量密度不超过800Wh/L。能量密度是衡量储能设备存储能力的重要指标，随着生活水平的提高，消费者对手机、汽车和移动电源的能量密度需求进一步增加。然而，传统的锂离子电池已经达到理论密度极限，为了进一步提高电池的能量密度，锂金属电池的研究正在重新兴起。
[0003]锂金属由于其高比容量3860mAh/g、最低的还原电位
‑
3.04V vs SHE和低的密度0.534g/cm3，在各种负极材料中被奉为“圣杯”。然而，直接采取锂箔会造成锂资源的浪费和严重的安全隐患，单纯用超薄锂又会增加巨额成本，且大量的锂箔同样存在安全问题，采用锂化正极与裸集流体的无负极系统是能够避免在生产过程中的安全问题。
[0004]对于任何给定的含锂正极系统，无负极全电池配置(消除多余的锂并将完全锂化的正极与裸集流体配对)可以提供最大的能量密度。电池装配过程中不需要直接采用锂金属也带来了显著的实用优势，同样也是深入了解锂沉积与各种正极系统的理想结构。首次充电时负极表面产生的SEI会消耗大量活性锂，而无负极锂金属电池中的锂全部来自负极活性物质，消耗的活性锂无法得到补充，导致能量密度损失。为了弥补首圈SEI损耗的活性锂，预锂化技术往往被应用，然而，常规的预锂化方法有添加高比容量锂化合物以及化学或电化学预嵌锂，这些方法或多或少的增加了工艺的复杂性和降低了能量密度优势，富锂材料在首次充电过程中具有巨大的不可逆性，可以通过常规煅烧工艺直接合成，具有与预锂化材料相当的效果，以弥补无负极锂金属电池能量密度的损失。
[0005]然而，在反复的锂电镀/剥离过程中，一方面，锂枝晶不受控制的增长，导致内部短路和“死锂”的积累，造成容量的快速衰减，另一方面，锂不均匀的沉积造成界面起伏较大，机械性差的SEI破裂再生不断的消耗活性锂，最终导致明显的容量衰减。相较于锂金属电池，无负极电池体系的所有活性锂都储存在正极，有限的活性锂对负极表面更加敏感。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决现有锂金属电池实际能量密度低、无负极锂金属电池无稳定容量以及锂金属电池中的枝晶问题，进而提供一种高比能锂金属电池制备方法。
[0007]一种高比能锂金属电池制备方法，它是按以下步骤进行：
[0008]一、将富锂材料、导电剂及粘结剂混合，然后加入到溶剂中研磨，得到浆料，将浆料涂覆在铝箔上，真空干燥，得到富锂材料正极片；
[0009]所述的富锂材料与导电剂的质量比为1:(0.05～0.2)；所述的富锂材料与粘结剂的质量比为1:(0.05～0.13)；所述的富锂材料正极片中富锂材料的载量为9mg/cm2～11mg/cm2；
[0010]二、将盐酸和超纯水混合，得到盐酸溶液，氟化锂加入到盐酸溶液中，得到刻蚀液，将MAX加入到刻蚀液中，在温度为34℃～36℃及搅拌速度为200rpm～300rpm的条件下，加热搅拌23h～25h，然后离心，得到MXene溶液，将MXene溶液通气冰浴超声，得到MXene单片层，将MXene单片层真空抽滤，得到MXene薄膜；
[0011]所述的盐酸与超纯水的体积比为1:(0.3～0.4)；所述的刻蚀液中氟化锂的浓度为0.06g/mL～0.08g/mL；所述的MAX的质量与刻蚀液的体积比为1g:(20～25)mL；所述的MXene溶液的浓度为1g/L～2g/L；所述的MXene薄膜的面密度为1mg/cm2～2mg/cm2；
[0012]三、在充满氩气手套箱中装配纽扣电池，纽扣电池从上至下依次为正极壳、垫片、正极片、隔膜、集流体及负极壳，并用压片机密封，得到高比能锂金属电池；
[0013]所述的正极片为富锂材料正极片；所述的集流体为MXene薄膜。
[0014]本专利技术的有益效果是：
[0015]富锂无负极锂金属电池提供了高的能量密度，本专利技术采用富锂作为正极，MXene做负极，富锂材料巨大的不可逆可以提供预锂化效果(提供了多余的锂来稳定整个电池容量)，预锂化的作用使得循环初始阶段容量稳定。若不采用富锂或一些预锂化方法，采用常规钴酸锂、磷酸铁锂或者三元，对于无阳极电池来说，比容量没有稳定的区间段。与常规锂金属电池相比，MXene通过抑制枝晶的作用使得充放电过程中锂最大沉积厚度得到缩减，在整个锂沉积剥离过程中实现较小的负侧体积变化，并且无枝晶沉积剥离还可以减少锂金属消耗，提高了实际能量密度延长其循环寿命。沉积的厚度越小，充放电过程中体积就越小，而电池能量一致情况下，体积越小其体积能量密度越大，MXene使得锂沉积厚度较小，其实际体积能量密度较大。
[0016]说明书附图
[0017]图1是以实施例一步骤一制备的富锂材料正极片组装的半电池充放电曲线，1为首次放电电压比容量曲线，2为第二圈放电电压比容量曲线，3为第十圈放电电压比容量曲线，4为第三十圈放电电压比容量曲线，5为第五十圈放电电压比容量曲线，6为首次充电电压比容量曲线，7为第五十圈充电电压比容量曲线，8为第三十圈充电电压比容量曲线，9为第二圈充电电压比容量及第十圈充电电压比容量的重叠曲线；
[0018]图2为以实施例一步骤一制备的富锂材料正极片组装的半电池循环性能曲线，1为库伦效率，2为放电比容量；
[0019]图3为实施例一步骤一所述的Li
1.18
Ni
0.15
Co
0.15
Mn
0.52
O2富锂材料的XRD图；
[0020]图4为实施例一步骤一所述的Li
1.18
Ni
0.15
Co
0.15
Mn
0.52
O2富锂材料的扫描电镜示意图；
[0021]图5为实施例一步骤二制备的MXene薄膜的XRD图；
[0022]图6为实施例一制备的高比能锂金属电池循环性能曲线，1为库伦效率，2为放电比容量；
[0023]图7为对比实验一制备的富锂Cu全电池的循环性能曲线，1为库伦效率，2为放电比容量；
[0024]图8为实施例一制备的高比能锂金属电池循环十圈结束后充电状态下锂的沉积厚度；
[0025]图9为对比实验一制备的富锂Cu全电池循环十圈结束后充电状态下锂的沉积厚
度；
[0026]图10为对比实验一制备的富锂Cu全电池首圈循环充电状态下的Li沉积形貌；
[0027]图11为实施例一制备的高比能锂金属电池首圈循环充电状态下的Li沉积形貌；
[0028]图12为对比实验二制备的NCM523||MXene锂金属全电池循环性能曲线，1为库伦效率，2为放电比容量。
具体实施方式
[0029]具体实施方式一：本实施方式为一种高比能锂金属电池制备方法，它是按以下步骤进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高比能锂金属电池制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行：一、将富锂材料、导电剂及粘结剂混合，然后加入到溶剂中研磨，得到浆料，将浆料涂覆在铝箔上，真空干燥，得到富锂材料正极片；所述的富锂材料与导电剂的质量比为1:(0.05～0.2)；所述的富锂材料与粘结剂的质量比为1:(0.05～0.13)；所述的富锂材料正极片中富锂材料的载量为9mg/cm2～11mg/cm2；二、将盐酸和超纯水混合，得到盐酸溶液，氟化锂加入到盐酸溶液中，得到刻蚀液，将MAX加入到刻蚀液中，在温度为34℃～36℃及搅拌速度为200rpm～300rpm的条件下，加热搅拌23h～25h，然后离心，得到MXene溶液，将MXene溶液通气冰浴超声，得到MXene单片层，将MXene单片层真空抽滤，得到MXene薄膜；所述的盐酸与超纯水的体积比为1:(0.3～0.4)；所述的刻蚀液中氟化锂的浓度为0.06g/mL～0.08g/mL；所述的MAX的质量与刻蚀液的体积比为1g:(20～25)mL；所述的MXene溶液的浓度为1g/L～2g/L；所述的MXene薄膜的面密度为1mg/cm2～2mg/cm2；三、在充满氩气手套箱中装配纽扣电池，纽扣电池从上至下依次为正极壳、垫片、正极片、隔膜、集流体及负极壳，并用压片机密封，得到高比能锂金属电池；所述的正极片为富锂材料正极片；所述的集流体为MXene薄膜。2.根据权利要求1所述的一种高比能锂金属电池制备方法，其特征在于步骤一中所述的富锂材料为Li
1.18
Ni
0.15
Co
0.15
Mn
0.52
O2富锂材料，且具体是按以下步骤制备：将醋酸镍、醋酸钴、醋酸锰及碳酸锂加入到去离子水中，得到液体A，将柠檬酸水溶液加入到溶液A，得到液体B，将液体B置于温度为45℃～55℃及搅拌速度为300rpm～500rpm的条件下，搅拌20h～24h，干燥并研磨，得到前驱体C，将前驱体C置于马弗炉中，以升温速率为0.4℃/min～0.5℃/min，升温至温度为440℃～460℃，然后在温度为440℃～460℃的条件下，预煅烧5h～6h，压片后，以升温速率为0.9℃/min～1.1℃/min，升温至温度为440℃～460℃，然后以升温速率为1.4℃/min～1.6℃/min，升温至温度为850℃～950℃，在温度为850℃～950℃的条件下煅烧11h～13h，最后冷却回火并研磨，得到Li
1.18
Ni

【专利技术属性】
技术研发人员：魏英进，孙志会，杨迪，王义展，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：