耐低温锂离子电池界面SEI膜处理方法与流程

耐低温锂离子电池界面sei膜处理方法
技术领域
1.本发明涉及新材料技术领域，具体地指一种耐低温锂离子电池界面sei(solid electrolyte interface，固态电解质界面)膜处理方法。


背景技术：

2.锂离子电池作为先进的储能设备在我们的日常生活中起着重要的作用，然而，目前商用锂离子电池的容量仍远远不能令人满意。与传统的石墨负极相比，金属锂具有大的理论比容量(3860mahg
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1)和最低的电化学势(相对于标准氢电极为
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3.04v)。因此，采用锂金属作为锂离子电池的负极材料，可以有效提高电池的能量密度，并且很有希望运用于下一代锂离子电池，特别对于高海拔地区，石墨负极因低温导致的本征阻抗增加，活性降低，比容量大幅度降低导致的应用限制具有更好的替代性意义。然而，锂金属负极的安全性和稳定性问题，例如锂枝晶的无序生长和低的循环寿命，严重阻碍了其实际应用。众所周知，固态电解质界面层(sei)能有效减缓电解质与锂金属负极之间的副反应从而在抑制锂枝晶方面起着重要作用。近来，一些研究表明，构造物理阻挡层(人工sei层)可能是阻挡锂金属与电解质之间直接接触的有效方法。迄今为止，大量研究着力于将金属化合物涂覆在锂金属表面构造人造sei层，例如al2o3，cu3n，cuf2。然而，这些人造sei层的机械强度不足以抵抗金属锂在长循环过程中的连续且严重的体积变化，因此导致人造sei层产生裂纹和脱离，从而降低了电池的电化学性能。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是要提供一种耐低温锂离子电池界面sei膜处理方法，本发明能解决耐低温型锂金属电池负极材料在充放电过程中产生的锂枝晶和循环稳定性问题。
4.为实现此目的，本发明所设计的耐低温锂离子电池界面sei膜处理方法，包括如下步骤：
5.步骤1：将ga(镓)和sn(锡)物理混合在惰性气体氛围下加热搅拌熔融，然后冷却至室温后获得ga和sn的液态金属合金，通过将ga和sn的液态金属合金与1
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十二烷基硫醇超声乳化，使ga和sn的液态金属合金分散为ga和sn合金纳米颗粒(liquid metal nano particals，液态金属人造膜)；
6.步骤2：将ga和sn合金纳米颗粒与导电剂在n
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甲基吡咯烷酮里均匀混合，然后将导电剂负载的ga和sn合金纳米颗粒与粘合剂一起均匀地涂覆在锂金属表面上，然后烘干粘合剂得到ga和sn合金的液态金属固态电解质界面层。
7.本发明的有益效果：
8.本发明提供的液态金属人造sei膜的制备方法通过向锂金属表面涂覆液态金属，构造一层可自我修复的人造sei膜，sei膜涂布在表面，所得到的产物可有效抑制锂电池中的锂枝晶问题；同时，液态金属良好的机械性能可以有效克服锂金属在充放电过程中体积膨胀等问题；本发明中的液态金属材料具有电子电导率高和机械性能好的优点，同时，本发
明实施例提供的方法可以在生产中放大，所得的改性锂金属负极可用于高比能量锂离子电池。
9.本发明从锂离子电池负极材料低温本征阻抗增加导致实际容量大幅度降低的主要问题入手，金属锂负极作为低温锂离子电池替代性材料，为了解决锂金属负极产生的锂枝晶和体积膨胀等问题，从分子的微观结构角度，对金属化合物的结构和物理性能进行设计，制备了一种可自我修复，高电子电导率和离子电导率的液态金属gasn，将其涂覆在锂金属表面作为人造sei涂层。利用电子扫描显微镜技术，通过锂金属电池的动力学参数、电池循环性能参数的测定，从而针对性的调控人造sei层的界面特征，使锂金属电池具有优异的使用性能，为高比能量的锂金属电池的低温推广具有很强的实用意义，特别是对于高海拔电力系统中涉及的储能模块具有很高的经济意义，是一个可大范围推广的替代性方案。
附图说明
10.图1(a)为液态金属人造sei膜的制备流程示意图，图1(b)为gasn液态金属实物示意图，图1(c)为gasn液态金属纳米颗粒在扫描电子显微镜(sem)下的图片，图1(d)为碳纳米管与gasn液态金属混合物在扫描电子显微镜(sem)下的图片，图1(e)为gasn液态金属人造sei膜在扫描电子显微镜(sem)下的图片。
11.图2(a)为li|lto(lithium titanate，锂/钛酸锂)电池循环之前锂金属负极的sem图像，图2(b)为li|lto电池循环之后的锂金属负极的sem图像，图2(c)li
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lmnp|lto(锂
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液态金属人造膜/钛酸锂)电池循环之前的lmnp
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li(锂
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液态金属人造膜)负极的sem图像，图2(d)为li
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lmnp|lto电池循环之后的lmnp
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li负极的sem图像。
12.图1(a)中，solution coating表示涂覆，li foil表示锂片，gasn lmnps表示镓铟液态金属，cnts表示碳纳米管，sbr binder表示聚丁苯橡胶粘结剂，thf表示四氢呋喃，self
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healing artificial sei layer表示自愈性人造sei膜。
具体实施方式
13.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
14.如图1所示耐低温锂离子电池界面sei膜处理方法，它包括如下步骤：
15.步骤1：将ga和sn物理混合在惰性气体氛围下加热搅拌熔融，然后冷却至室温后获得ga和sn的液态金属合金，通过将ga和sn的液态金属合金与1
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十二烷基硫醇超声乳化，使ga和sn的液态金属合金分散为ga和sn合金纳米颗粒(200nm)；
16.步骤2：将ga和sn合金纳米颗粒与导电剂在n
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甲基吡咯烷酮(nmp)里均匀混合，然后将导电剂负载的ga和sn合金纳米颗粒与粘合剂一起均匀地涂覆在锂金属表面上，然后在手套箱中烘干粘合剂(thf四氢呋喃)得到ga和sn合金的液态金属固态电解质界面(sei)层，将上述涂覆有人造sei的锂金属制成纽扣电池，再进行性能测试，包括形貌测试，倍率测试，循环测试。
17.上述技术方案中，所述ga与sn的质量比例范围为(80％～90％):(10％～20％)，该配比下能加速反应，利于工业生产的大规模的制备。
18.上述技术方案中，所述惰性气体氛围为氩气或氮气，惰性气体起保护反应气作用，隔绝氧气水分。
19.上述技术方案的步骤1中，ga和sn物理混合在惰性气体氛围下加热到250～350℃搅拌熔融。
20.上述技术方案中，所述搅拌速率为1000～3000r/min使其充分搅拌。
21.上述技术方案的步骤1中，ga和sn物理混合在惰性气体氛围下加热到250～350℃搅拌熔融0.5～3h，保证反应时间，充分反应。
22.上述技术方案的步骤2中，将导电剂负载的ga和sn合金纳米颗粒与粘合剂一起均匀地涂覆在锂金属表面上的涂覆厚度为10～50um。
23.上述技术方案中，所述导电剂为炭黑、乙炔黑、碳纳米管或石墨烯，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯或聚四氟乙烯，提高最终产品的性能。
24.本发明以ga、sn单质为主体，采用两步法合成了gasn液态金属人造sei膜，并进行循环性能和倍率性能测试。gasn液态金属在锂负极界面形成一层稳定的sei膜，人造sei层可以减少锂金属与有机电解质之间的副反应，其良好的机械性能可以有效解决锂枝晶产生的电池的安全问题，从而使电池的循环性能得到稳步提升，安全性好；并且结构简单，具有较好的机械强度，便于储存、运输。本方法操作简单廉价，电化学性能优异，可用于锂金属二次电池、锂硫电池、锂空电池领域。
25.本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。