一种利用高分子聚合物对金属锂片化学抛光的方法与流程

本发明涉及锂电池材料技术领域，更具体地，涉及一种利用高分子聚合物对金属锂片化学抛光的方法。

背景技术：

金属锂片目前最常用的领域是用于锂离子电池的负极，因为金属锂片有较高的理论比容量（3860mah/g）与很低的电极电位（-3.04vvs.nhe），它被看作为是下一代高能量密度动力电池的负极材料。然而，锂资源在地壳中的含量并不高（仅为0.0065%）。又加之金属锂是一种很活泼的金属，其极容易被氧化形成厚的氧化层而阻碍它的进一步应用。因此，去除因长期在微量氧中存放而产生的厚氧化层具有重要的节能环保和实用意义。

目前，除去锂表面的厚氧化层的常用方法为电化学抛光法，其过程为将待抛光的金属锂片作为工作电极置于含有脂类或醚类电解液的三电极体系中，而后对工作电极施加氧化电位使锂发生溶出反应进而逐渐剥离厚氧化层。然而，锂离子电解液的成本比较高，并且对于人和生态环境具有一定毒性，再加上要制备工作电极的过程也较为繁琐。因此，为了更加简单、快速的剥离锂表面的厚氧化层，我们提出了化学处理方法。化学处理方法相对电化学抛光法而言，操作更加简单，但同时化学处理方法中所采用的有机试剂的毒性太大，对操作人员和环境的危害都较大。因此，有待于提供一种既简单、快速，又能低毒低害，对环境友好，且成本低廉，适用于工业大规模生产的剥离锂表面的厚氧化层的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单、快速、低成本去除锂表面厚氧化层的方法，即一种利用高分子聚合物对金属锂片化学抛光的方法。本发明所述方法通过采用非离子表面活性剂的有机溶液作为抛光液，浸泡锂，从而可以简单、快速的剥离锂表面的厚氧化层。

本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：

一种利用高分子聚合物对金属锂片化学抛光的方法，先将高分子聚合物溶于有机溶剂中制成抛光液，然后将锂放置在抛光液中浸泡至完全除去锂表面的厚氧化层为止；所述高分子聚合物为非离子表面活性剂。

本发明采用非离子表面活性剂配置抛光液的理由如下：一方面因为非离子表面活性剂可以润湿锂金属表面附着的厚氧化层，从而使其更易从锂金属表面剥离；另一方面，非离子表面活性剂溶液形成胶束将小的氧化物碎片包裹，可在电解液的冲洗下离开锂金属表面。

优选地，所述非离子表面活性剂包括但不限于聚醚p123、f127、f68。

优选地，所述抛光液中，高分子聚合物的质量百分比为5%～30%。

更优选地，所述抛光液中，高分子聚合物的质量百分比为10%～20%。

更优选地，所述抛光液中，高分子聚合物的质量百分比为20%。

优选地，当锂浸泡在抛光液中时，所述抛光液处于惰性气体中。

优选地，当浸泡结束后，可采用制备电池的电解液冲洗锂。

优选地，所述抛光液在40℃～60℃条件下配置；高分子聚合物在溶解过程中可进行搅拌或超声处理。

优选地，所述抛光液在45℃条件下配置。

优选地，所述抛光液在浸泡锂的过程中，可进行震荡或超声处理。

优选地，所述有机溶剂包括但不限于四氢呋喃或二甲基亚砜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用无毒的非离子表面活性剂，可快速、简单的剥离锂表面的厚氧化层，操作简单、成本低廉，适用于工业化大规模的生产和应用，且对环境污染小。采用经过本发明所述方法处理后的锂片制备的电池，电池的容量保持率得到明显提升，超过91%；电池的过电位明显减少；电化学传荷阻抗明显减小、提高了电化学反应的动力学。

附图说明

图1为未进行的锂片（左）和经过本发明所述方法处理后的锂片（右）的外观。

图2为经过抛光液浸泡不同时间处理后的锂片制备的电池的循环阻抗结果。

图3为经过抛光液浸泡8h后的锂片制备的电池在圈6c倍率下的循环圈数-比容量/库伦效率曲线。

图4为经过抛光液浸泡8h后的锂片制备的电池在圈5c倍率下的循环圈数-比容量/库伦效率曲线。

图5为经过抛光液浸泡8h后的锂片组成对称电池在沉积/剥离0.5mah/cm²的锂在循环600h后电压随时间变化关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1

一种利用高分子聚合物对金属锂片化学抛光的方法，具体过程如下：

（1）称取适量的有机溶剂和非离子表面活性剂，并将非离子表面活性剂溶于有机溶剂中，配置成为抛光液；

（2）将抛光液转移至手套箱中（箱内水含量低于0.01ppm,氧含量小于2ppm），然后将锂片放入其中，盖好盖子后震荡一定时间；

（3）带浸泡时间达到后，将锂片取出，然后使用随后将要用来装电池的电解液冲洗锂片，取出器表面残余的氧化物，即可得到表面洁净的锂片，直接用于制备电池。

多种非离子表面活性剂均可有效去除锂片表面的厚氧化层，其中最具有代表性的是聚醚p123、f127、f68；可适用的有机溶剂也有多种，最常用的有四氢呋喃和二甲基亚砜。

为了探索最佳的条件，发明人对于抛光液中溶质的质量百分比和浸泡时间进行了研究，采用的非离子表面活性剂为聚醚p123，采用的有机溶剂为二甲基亚砜，采用单因素变量原则，测试了抛光液中聚醚p123的质量百分数为5%、10%、20%、30%，浸泡时间分别为16h、12h、8h、4h对剥落锂片表面厚氧化层的影响。

经过对上述试验过程的观察可知：当抛光液中聚醚p123的质量百分数分别为5%、10%、20%、30%，浸泡时间分别达16h、12h、8h、4h的时候即可大部分甚至完全的去除锂片表面的厚氧化层；其中当抛光液中聚醚p123的质量百分数为20%，浸泡时间为8h时，锂片表面的厚氧化层可以最快速的完全剥落。

如图1为锂片经本实施例处理前后的表面表观图，其中左图为处理前的表观图，锂片表面附着这致密的淡黄色的氧化膜；右图为处理后的表观图，锂片露出了原有的银白色金属光泽。

实施例2

以实施例1中的最佳条件（抛光液中聚醚p123的质量百分数为20%，浸泡时间为8h）制备的锂片经电解液冲洗后，组装成为纽扣式对称电池；采用的电解液为lipf6溶进[碳酸乙烯脂（ec）:碳酸二乙脂(dec)=1:1，外加5%的氟代碳酸乙烯脂（fec)]，隔膜为聚丙烯（pp）。然后在zive电化学工作站上进行电化学交流阻抗测试，测试频率个范围为0.1-10⁵hz。

测试结果如图2所示，从图2中可知，经过实施例1中所述方法处理后的锂片组成的电池的电化学传荷阻抗明显减小，即经过去除锂片表面厚氧化层后，有利于提高电化学反应的动力学。而且，处理时间不同，由于锂片表面厚氧化层的剥落情况不同，由其组成的电池的电化学传荷阻抗的减小程度不同，随着锂片表面厚氧化层的剥落越好，由其组成的电池的电化学传荷阻抗减少的越明显。

实施例3

为进一步验证，本实施例利用实施例1中经过处理，去除了表面的厚氧化层的锂片和磷酸铁锂正极组装成的纽扣式电池。其中使用的电解液为lipf6溶进[碳酸乙烯脂（ec）:碳酸二乙脂(dec)=1:1，外加5%的氟代碳酸乙烯脂（fec)]，隔膜为聚丙烯（pp）。随后在蓝电充放电测试仪上进行6c倍率下的充放电循环。

测试结果如图3所示，从图3中的循环圈数-比容量/库伦效率曲线可知：经过处理后的锂片的放电比容量更高，循环稳定性更好，经过500圈6c倍率下的经处理后的锂片组装成的电池的容量保持率为91.85%，平均库伦效率为99.88%，而未经处理的锂片组装成的电池的容量保持率仅为87.57%，平均库伦效率为99.88%。

由于锂片表面的厚氧化层完全被剥离，所采用的电解液中5%的氟代碳酸乙烯脂（fec）可以帮助金属锂片在其表面形成更为致密、均一的sei膜，因此，由其组成的电池的循环容量保持率和平均库伦效率高达91.58%和99.88%；当锂片表面存在厚氧化层时即使有氟代碳酸乙烯脂的帮助，锂片表面在电解液中也难以形成致密、均一的sei膜，从而将导致电池的循环容量保持率和平均库伦效率较低。

实施例4

参照实施例3中的步骤，将电解液换成lipf6溶进[碳酸乙烯脂（ec）:碳酸二乙脂(dec)=1:3，隔膜为聚丙烯（pp），然后在蓝电充放电测试仪上进行5c倍率下的充放电循环测试。

测试结果如图4所示，从图4中的循环圈数-比容量/库伦效率曲线可知：经过处理后的锂片的放电比容量更高，循环稳定性更好，经过500圈5c倍率下的经处理后的锂片组装成的电池的容量保持率为79.43%，平均库伦效率为99.67%，而未经处理的锂片组装成的电池的容量保持率仅为50.32%，平均库伦效率为99.11%。

当采用普通脂类电解液，组装电池的其他条件与实施例3完全相同，从测得的结果同样可得知：与未处理的锂片相比，处理后的锂片组装成的全电池的电化学性仍然具有明显的提高。

由此可知，经过本发明所述方法处理后的锂片，即使是采用不同的电解液，与未处理的锂片相比，由处理后的锂片组装成的电池的电化学性均具有明显的提高。

实施例5

为了更进一步验证，本实施例利用两个实施例1中经过处理，去除了表面的厚氧化层的锂片组装成对称式纽扣电池。其中使用的电解液为lipf6溶进[碳酸乙烯脂（ec）:碳酸二乙脂(dec)=1:1，外加5%的氟代碳酸乙烯脂（fec)]，隔膜为聚丙烯（pp）。随后在蓝电充放电测试仪上进行沉积/剥离0.5mah/g的锂的充放电循环。

测试结果如图5所述，从图中的电压-时间可知：经过处理后的锂片组装成的电池的过电位比起未处理的锂片组装成的电池明显减小。再者，经过处理后的锂片组装成的电池在连续运行了600h后依然未出现短路现象，而未经处理的锂片组装成的电池在运行340h后就已短路。

实施例2、3、4、5的电池的电化学性能的提高得益于锂金属原来的厚氧化层的消失和经过处理后锂金属表面形貌变得更加均一。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。