一种复合锂金属负极及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂金属电池的领域，公开了一种复合锂金属负极及其制备方法。所述制备方法包括：采用气相热处理氧化法，在氩气惰性气氛中对原始碳布进行亲水处理；然后利用浸泡法将硝酸铋沉积在亲水碳布上，在碳布表面得到纳米尺寸的硝酸铋涂层；接着在氩气气氛下进行高温煅烧，将硝酸铋转化成高密度的铋纳米颗粒，并均匀地半嵌入在碳布中，形成铋纳米球半嵌入型碳布的复合材料；将所述复合材料与加热熔融的锂金属复合，获得自支撑的复合锂金属负极。本发明专利技术在对抑制锂枝晶的生长和优化锂金属电池电化学性能方面具有协同促进作用。化学性能方面具有协同促进作用。化学性能方面具有协同促进作用。

【技术实现步骤摘要】
一种复合锂金属负极及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂金属电池的
，涉及一种复合锂金属负极及其制备方法，具体涉及一种铋纳米球半嵌入碳布的复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着电网储能和新能源汽车等新兴产业的快速发展，开发高能量密度的储能系统已经成为发展的必然趋势。然而，现在体系下商业普遍应用的锂离子电池的负极材料主要是理论容量偏低的石墨(理论比容量372mAh g
‑1)，越来越难以满足新能源产业的需求。
[0003]与传统的石墨阳极相比，锂金属因其超高的理论容量(3860mAh g
‑1)、极低的氧化还原电位(
‑
3.04V vs标准氢电极)和极小的质量密度(0.59g cm
‑3)而被认为是高能密度可充电电池理想的阳极材料。
[0004]不幸地是，锂金属负极因为自身的高反应活性、不稳定的固态电解质界面膜、严重的枝晶生长和无限的体积变化等问题而存在着安全隐患。所以，提高锂金属负极的安全性和稳定性是其大规模应用的必经之路。以往的改善锂金属电池稳定性的研究有：开发稳定SEI的电解质添加剂或者设计稳定的人工SEI、设计固态电解质、使用三维骨架结构限制锂负极的体积变化等。在上述策略中，三维基体的骨架可以为复合负极提供支撑来缓解锂在充放电过程中的体积变化，同时三维集流体的大比表面积能够降低局部电流密度抑制锂枝晶的形成，具有广阔的应用前景。
[0005]因此，研究者们通常会选择具有三维结构的材料来引导锂进入空间内部，进而形成复合的锂金属负极。商业化的碳布是一种优异的选择，因为其生产成本较低，是由大量的碳纤维有序编织而成的，可以批量生产。除此之外，碳质基材拥有较好的导电性，极高的比表面积。以上这些优点都支持将其运用于一体化锂金属负极的三维基底。但是，现有的商业碳布不能将熔融的金属锂灌入其中，表面的“疏锂”性导致其不能直接应用于锂金属电池电极基底。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述问题提出了一种复合锂金属负极及其制备方法，在铋纳米球半嵌入碳布的复合材料中：金属铋的引入可以增强碳布的亲锂性，引导熔融状态的锂流入三维结构的碳布中；铋单质还可以和锂反应形成合金，能够降低锂的成核势垒；半嵌入的方式可以提高复合电极的机械稳定性；三维柔性碳布的基底可以缓冲锂在沉积和剥离过程中的体积变化，这些在对抑制锂枝晶的生长和优化锂金属电池电化学性能方面有着协同促进作用。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种复合锂金属负极材料，以碳布为基底层，铋纳米球半嵌入碳布的复合结构。
[0009]一种复合锂金属负极，以上述负极材料制备而成。
[0010]一种复合锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1、原始碳布的亲水性处理，采用气相热处理氧化法，在氩气惰性气氛中对原始碳布进行亲水处理；
[0012]步骤2、铋纳米球半嵌入碳布复合材料的制备，在氩气气氛下进行高温煅烧，将硝酸铋转化成高密度的铋纳米颗粒，并均匀地半嵌入在碳布中，形成铋纳米球半嵌入型碳布的复合材料；
[0013]步骤3、复合锂金属负极的制备，将步骤2所述的复合材料与加热熔融的锂金属复合，获得自支撑的复合锂金属负极。
[0014]所述铋纳米球半嵌入碳布复合材料的制备是采用化学铆接铋纳米微球的方式，将铋纳米微球以高密度和高度分散的状态镶嵌于碳布中，形成铋纳米球半嵌入的碳布的复合材料。
[0015]所述复合锂金属负极的制备是利用了锂的低熔点(180℃)，使锂通过毛细作用进入亲锂的材料内部，冷却后便得到了含锂的复合材料，这种方法可以直接获得锂和三维骨架复合得到的材料，且相较于电沉积法，电极内锂金属的分布更加均匀，表面更加光滑。
[0016]进一步的，所述的步骤1具体过程为：裁取面积为4
×
4cm的原始碳布，在氩气的惰性气氛的管式炉中以5℃/min升温速率加热到500℃，然后煅烧5
‑
10h，将煅烧后的碳布用超纯水冲洗3次，将冲洗后的碳布转移至60℃的真空干燥箱中干燥3
‑
5h。
[0017]进一步的，所述的步骤2具体过程为：将500
‑
800mg硝酸铋剧烈搅拌溶解在100
‑
150mL乙二醇溶液中，将步骤1的亲水性碳布放入上述溶液中，超声处理3
‑
5h，超声完成后，将碳布转移至60℃的真空干燥箱中干燥过夜，将干燥好的碳布转移到高温管式炉中，在氩气气氛下先以5
‑
10℃/min的加热速率加热至200
‑
300℃，在此温度下保温3
‑
5h，然后再以相同的升温速率加热到500
‑
700℃，在此温度下保温3
‑
5h，待高温管式炉冷却后，取出反应完成的样品，用0.5
‑
1.5mol/L的盐酸溶液和超纯水各洗涤3次。
[0018]进一步的，所述的步骤3具体过程为：将步骤2的复合材料浸泡在高温加热到180℃的熔融锂中，熔融状态的金属锂被逐渐灌入结构内部，50
‑
100s后覆盖整个碳布骨架，得到复合锂金属负极。
[0019]本专利技术具有如下有益效果：
[0020](1)本专利技术铋纳米球半嵌入碳布的复合材料中，亲锂性的铋纳米微球可以引导熔融状态的金属锂流入三维结构的碳布中去，增强了商业化碳布的亲锂性。
[0021](2)本专利技术铋纳米球半嵌入碳布的复合材料中，铋金属单质可以和锂反应形成合金，能够降低锂的成核势垒；该复合材料和熔融锂形成复合锂金属负极时，铋纳米球也能够调节循环过程中电极表面的电流密度不均匀的问题，从而抑制锂枝晶生长。
[0022](3)本专利技术铋纳米球半嵌入碳布的复合材料中，铋纳米球与碳纤维之间的强界面结合是在碳热反应过程中通过自发形成的Bi
‑
C化学键实现的，在促进电荷转移和电极的机械稳定性等方面发挥重要作用。
[0023](4)本专利技术铋纳米球半嵌入碳布的复合材料中，三维柔性碳布作为基底材料可以缓冲锂在沉积和剥离过程中的体积变化。
[0024]总之，本专利技术在对抑制锂枝晶的生长和优化锂金属电池电化学性能方面具有协同促进作用。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例1铋纳米球半嵌入碳布复合材料的宏观结构图；
[0026]图2为本专利技术实施例1铋纳米球半嵌入碳布复合材料的微观结构图；
[0027]图3为本专利技术实施例1铋纳米球半嵌入碳布复合材料的X射线衍射图。
具体实施方式
[0028]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如无特殊说明，本专利技术所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
[0029]实施例1
[0030]一种复合锂金属负极的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0031]步骤1、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合锂金属负极材料，其特征在于，以碳布为基底层，铋纳米球半嵌入碳布的复合结构。2.一种复合锂金属负极，其特征在于，以权利要求1所述的负极材料制备而成。3.一种复合锂金属负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、原始碳布的亲水性处理，采用气相热处理氧化法，在氩气惰性气氛中对原始碳布进行亲水处理；步骤2、铋纳米球半嵌入碳布复合材料的制备，在氩气气氛下进行高温煅烧，将硝酸铋转化成高密度的铋纳米颗粒，并均匀地半嵌入在碳布中，形成铋纳米球半嵌入型碳布的复合材料；步骤3、复合锂金属负极的制备，将步骤2所述的复合材料与加热熔融的锂金属复合，获得自支撑的复合锂金属负极。4.如权利要求3所述的一种复合锂金属负极的制备方法，其特征在于，所述的步骤1具体过程为：裁取面积为4
×
4cm的原始碳布，在氩气的惰性气氛的管式炉中以5℃/min升温速率加热到500℃，然后煅烧5
‑
10h，将煅烧后的碳布用超纯水冲洗3次，将冲洗后的碳布转移至60℃的真空干燥箱中干燥3
‑
5h。5.如权利要求3所述的一种复合锂金属负极的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：那兆霖，李琳，刘旭东，惠宇，王兴安，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：