一种新型锂金属电池抑制负极锂枝晶生长的方法技术

本发明专利技术公开了一种新型锂金属电池抑制负极锂枝晶生长的方法，包括正极制备，锂负极表面纳米化，制成纽扣电池。金属锂表面经过反复研磨，其表面产生双晶断层和堆积断层，作为锂负极上的亲锂活性位点，能抑制锂枝晶生长，并使锂离子均匀沉积。研磨使锂片表面纳米化的操作流程简单，一步成型，不需要经过高温球磨及机械碾压的复杂处理，且形成的晶界密度急剧增加，处理后Li的晶界密度约是未处理Li的4倍。研磨过程中晶粒明显细化，已达纳米级。纳米化锂表面晶界有很多均匀活性中心，使其具有了类似量子点或单原子催化剂的催化活性；组装成电池后，纳米化金属锂不仅降低了吸附锂离子的吸附能；还使锂离子均匀沉积，从而达到抑制锂枝晶生长的目的。生长的目的。生长的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种新型锂金属电池抑制负极锂枝晶生长的方法


[0001]本专利技术属于锂金属电池
，具体涉及一种新型锂金属电池抑制负极锂枝晶生长的方法。

技术介绍

[0002]可充电锂(Li)电池具有超高的理论比容量(3860mAhg
‑1)和最低的氧化还原电位(
‑
3.04V标准氢电极)，因此被认为是最有前途的下一代高容量电池系统。然而，锂电池面临的一个主要挑战是电池充电过程中突起的成核和生长，这限制了电池的使用寿命，并降低了安全性。在充放电循环过程中，锂电荷沉积集中在粗糙锂负极表面的突起尖端，称为“尖端效应”，导致锂离子不均匀沉积和锂枝晶优先生长。锂枝晶的极端生长会通过穿透固体电解质界面(SEI)和隔膜而导致内部短路。SEI在机械上不稳定，不能适应循环过程中的体积变化，容易产生裂纹，通过消耗新鲜的锂金属和电解质进一步形成锂枝晶，导致寿命差，库仑效率低。
[0003]为了有效解决锂枝晶生长问题，液体电解质改性、人工SEI可控合成等方法已被广泛研究。已有的研究表明，高浓度1,2
‑
二甲氧基乙烷(DME)中的(4
‑
5M)Li双(氟磺酰)亚胺(LiFSI)能够将Li金属循环效率提高到99％左右，并且没有明显的枝晶形成。与液体电解质改性、人工SEI可控合成等常见方法相比，调控金属锂的表面微观形态，可控合成纳米金属锂、诱导锂离子均匀沉积，将是解决锂枝晶生长的直接途径。但是，金属锂具有较高的物理、化学活性，通过化学气相沉积(CVD)、水热法等化学方法可控合成纳米结构金属锂仍面临巨大挑战。
[0004]金属锂质地较软，具有良好的塑性变形能力。塑性变形等物理方法将是一种调控金属锂表面微观形态、可控合成纳米金属锂的简单有效方法。专利《一种用于金属表面纳米化的气动碾压工具》(公开号CN114752740A)，提供了一种用于金属表面纳米化的气动碾压工具。但是，在空气中碾压锂片，会使锂片发生氧化；而且，该装置结构复杂，无法将该装置搬运到充满氩气的手套箱内碾压锂片。为此，有必要寻找一种简单有效的抑制锂枝晶的方法。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术通过简单的研磨过程将金属锂直接转化为高密度晶界，解决了锂电池的锂枝晶生长问题。锂金属的反复研磨产生了丰富的锂晶界，金属锂晶界作为亲锂活性位点，诱导锂离子的均匀成核、沉积，最终克服了锂枝晶问题。与传统解决新能源电池枝晶生长问题的复杂化学途径完全不同，其简单有效的研磨方法将为设计锂、钠、锌等高容量金属电池提供新的研究思路。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种新型锂金属电池抑制负极锂枝晶生长的方法，包括如下步骤：
[0007]①
锂负极表面纳米化处理：在充满保护气体的密闭空间内，先将锂片上、下两面分
别放上硫酸纸，将所述锂片置于研体内，用研杵对其进行反复研磨，然后用裁刀裁成负极圆片。
[0008]②
正极的制备：将活性物质、导电剂和粘结剂按一定比例混合均匀配成浆料，将所述浆料涂敷于集流体表面；将所述涂敷浆料后的集流体放于烘箱中烘干后，用裁刀裁剪成正极圆片；最后将其置于热压机热压。
[0009]③
制作纽扣电池：以步骤
①
处理后的锂片为负极，以步骤
②
制作的圆片为正极，加入电解液用电池壳组装成电池。
[0010]步骤
①
中所述保护气体为惰性气体，包括氩气、氮气等；所述密闭空间通过气泵使保护气体在其内循环，以实现其内的水、氧浓度在0.1ppm以下；所述研钵材质包括玛瑙研钵，陶瓷研钵，玻璃研钵等；所述研磨时间5
‑
10min，直至其面积变为原来的1.5倍左右；所述裁剪成圆片的直径为1.5cm。
[0011]步骤
②
中所述活性物质包括石墨，Si，LiFePO4等；所述导电剂包括乙炔黑，SuperP，Vlucan XC
‑
72等；所述粘结剂由PVDF与N
‑
甲基吡咯烷酮配制而成；所述活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为8：1：1；所述集流体包括铜箔，铝箔等；所述烘干过程为120℃条件下，烘干12h；所述裁剪后的正极圆片直径为1.5cm；所述热压过程为0.2MPa，65℃条件下热压。
[0012]步骤
③
中所述电解液包括LBE01，LBE02等，所述电池壳型号包括CR2032，CR2025等。
[0013]金属锂表面经过反复的研磨，其表面产生双晶断层和堆积断层，这些作为锂负极上的亲锂活性位点，能抑制锂枝晶的生长，并使锂离子均匀沉积。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0015]通过简单研磨的物理方法，使得锂金属表面形成纳米结构，制备方法简单可行，大大降低了金属锂纳米化的难度，适用于锂金属抑制锂枝晶的形成。研磨使锂片表面纳米化的操作流程简单，一步成型，不需要经过高温球磨及机械碾压的复杂处理过程，且形成的晶界密度急剧增加，处理后Li的晶界密度约是未处理Li的晶界密度4倍。在研磨过程中，晶粒明显细化，晶粒已经达到纳米级。
[0016]表面纳米化的金属锂表面的晶界有很多均匀的活性中心，这使得其具有了类似于量子点或者单原子催化剂的催化活性；组装成电池后，表面纳米化的金属锂不仅降低了吸附锂离子的吸附能；还因为其均匀分布使锂离子均匀沉积，从而达到抑制锂枝晶生长的目的。
附图说明
[0017]图1为未处理锂和表面纳米化锂的SEM图，其中，图a、b、e为未处理锂片；图c、d、f为表面纳米化锂片；图b、d分别为图a、c对应的彩色SEM图像；
[0018]图2为锂片表面纳米化工艺示意图，其中，图a～b为研磨过程示意图，图c为研磨过程中的受力分析，图d为锂负极表面受力晶粒细化过程示意图；
[0019]图3为对称电池Li||Li的循环性能图，即对称的Li||Li电池的充放电曲线，红色对应的是Li(未处理)||Li(未处理)电池；黑色对应Li(处理)||Li(处理)电池；
[0020]图4为循环后未处理锂片和表面纳米化锂片SEM图，图a、b是未处理锂片循环后的
SEM图，图c、d是处理后锂片循环后的SEM图。
具体实施方式
[0021]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不以任何方式限制本专利技术。为免赘述，以下实施例中的原材料若无特别说明则均为市售产品，所用方法若无特别说明则均为常规方法。
[0022]实施例
[0023]一种新型锂金属电池抑制负极锂枝晶生长的方法，包括如下步骤：
[0024]①
锂负极表面纳米化处理：在充满氩气的手套箱内，先在金属锂上、下面放上硫酸纸，将其置于研钵内，用玛瑙研杵对其进行反复研磨8min，其面积变为原来的1.5倍，用裁刀将其裁成直径为1.5cm的小圆片。
[0025]②
正极的制备(前处理)：将按Si：乙炔黑：PVDF＝80％：10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型锂金属电池抑制负极锂枝晶生长的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
①
锂负极表面纳米化处理：在充满保护气体的密闭空间内，先将锂片上、下两面分别放上硫酸纸，将所述锂片置于研体内，用研杵对其进行反复研磨，然后裁成负极圆片；
②
正极的制备：将活性物质、导电剂和粘结剂按一定比例混合均匀配成浆料，将所述浆料涂敷于集流体表面；将所述涂敷浆料后的集流体放于烘箱中烘干后，裁剪成正极圆片；最后将其置于热压机热压；
③
制作纽扣电池：以步骤
①
处理后的锂片为负极，以步骤
②
制作的圆片为正极，加入电解液用电池壳组装成电池。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤
①
中所述保护气体为惰性气体，包括氩气、氮气。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤
①
中所述密闭空间通过气泵使保护气体在其内循环，以实现其内的水、氧浓度在0.1ppm以...

【专利技术属性】
技术研发人员：山姗，
申请(专利权)人：大连美牛新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：