一种具有LiF-Li3N多功能界面层的锂负极及其制备方法

本发明属于锂电池，涉及一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极及其制备方法。

背景技术：

1、锂金属具有极低的电化学电位(-3.04v)、低的密度(0.53g cm-1)和极高的理论容量(3860mah g-1)，是实现高能量密度电池负极材料的最佳选择。但是锂金属负极在实际应用中仍有极需解决的问题，如电池循环中锂的不均匀沉积/剥离，锂金属与固态电解质界面持续的副反应以及锂枝晶的不可控生长。这些问题会导致充放电循环过程中锂离子传输能力降低，进一步导致库仑效率和电化学性能下降，最终导致电池失效。

2、为解决上述问题，本领域的研究人员通过各种方法将不同类型的界面层应用于锂金属负极来提高其循环稳定性。人造界面层在化学或电化学上是稳定的，因此在循环过程中它既不与电解质发生反应，也不与锂金属发生反应。然而，目前这些策略所构建的人造界面层大多只含有单一的成分。由于改性材料本身的局限性，含有单一成分的人造界面层存在一定的缺陷。例如，界面层仅具有较高的电子绝缘性，而离子电导率较低，在锂沉积过程中，锂离子无法快速穿过界面层，导致大量的锂沉积在界面层上方，不能有效隔绝锂金属与电解质的直接接触。同样界面层的离子电导率高，但不具备电子绝缘性，会存在锂枝晶生长等问题。此外，一些锂化合物界面层具有较高的机械模量和快速的锂离子传输，但其柔韧性仍需进一步提高。因此，构建具有不同成分和良好协同效应的多功能人工界面层具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极及其制备方法。

2、本发明的一个目的在于提供一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极，所述具有lif-li3n多功能界面层的锂负极由五氟苯甲酰胺(c7h2f5no)溶液涂覆于锂金属表面形成。

3、c7h2f5no溶液在涂覆过程中与锂金属发生反应生成lif和li3n，由此在锂金属表面构建含有有机物、lif和li3n的复合功能界面层；该复合功能界面层中柔韧性高的有机物能增强锂金属与固态电解质的接触；lif具有高的界面能和电子绝缘性，能有效保持锂金属/固态电解质界面稳定，并减少锂枝晶的产生；li3n具有较高的离子导电性，有利于实现快速的锂离子传输和均匀的锂沉积。界面层中的每种物质可以发挥各自优势，互相弥补各自不足，从而实现稳定的锂金属/固态电解质界面。

4、作为优选，所述五氟苯甲酰胺溶液为五氟苯甲酰胺溶于乙二醇二甲醚(dme)中形成。dme溶剂是c7h2f5no的良好溶剂，c7h2f5no溶于dme能够得到均匀透明的溶液。

5、作为优选，所述五氟苯甲酰胺溶液中，五氟苯甲酰胺的质量分数为0.1～15wt％。

6、作为优选，lif-li3n多功能界面层的厚度为0.01～50μm，进一步优选为0.1～20μm。

7、本发明另一个目的在于提供一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极的制备方法，包括以下步骤：将五氟苯甲酰胺加入乙二醇二甲醚中，经搅拌溶解制得五氟苯甲酰胺溶液；将制得的五氟苯甲酰胺溶液涂覆至锂金属表面，进而干燥，在锂金属表面原位形成lif-li3n多功能界面层。

8、作为优选，上述制备方法中，搅拌方法为机械搅拌、机械震荡、超声分散的一种或几种的混合，搅拌时长为0.1～24小时。

9、作为优选，上述制备方法中，涂覆方法为旋涂、刷涂、喷涂、滚涂、浸涂、刮涂的一种或几种的混合。

10、作为优选，上述制备方法中，五氟苯甲酰胺溶液涂覆至锂金属表面的涂覆厚度为0.01～100μm。

11、作为优选，上述制备方法中，干燥方法为晾干、真空干燥、鼓风干燥的一种或几种的混合。

12、作为优选，上述制备方法中，干燥温度为10～100℃，干燥时长为0.1～24小时。

13、本发明另一个目的在于提供一种全固态锂电池，包含：正极、负极以及电解质，所述负极为上述具有lif-li3n多功能界面层的锂负极。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、1、本发明将c7h2f5no-dme溶液涂覆在锂金属表面，从而在锂金属表面构建含有有机物、lif和li3n的复合功能界面层，通过有机物、lif和li3n相互作用，从而实现稳定的锂金属/固态电解质界面；

16、2、dme溶剂是c7h2f5no良好溶剂，用dme溶解c7h2f5no，能够得到均匀透明的溶液，有利于液相涂覆；

17、3、本发明通过液相涂覆，能在锂表面形成厚度可控、薄而均匀的lif-li3n多功能界面层；

18、4、本发明方法制备的具有lif-li3n多功能界面层的锂负极可实现对锂负极的保护，提升全固态锂电池安全性，将该负极用于全固态锂电池中，能够有效抑制锂枝晶的生长，实现均匀的锂沉积和剥离，改善全固态锂电池的循环寿命。

技术特征：

1.一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极，其特征在于，所述具有lif-li3n多功能界面层的锂负极由五氟苯甲酰胺溶液涂覆于锂金属表面形成。

2.根据权利要求1所述的一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极，其特征在于，所述五氟苯甲酰胺溶液为五氟苯甲酰胺溶于乙二醇二甲醚中形成。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极，其特征在于，所述五氟苯甲酰胺溶液中，五氟苯甲酰胺的质量分数为0.1～15wt％。

4.根据权利要求1所述的一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极，其特征在于，lif-li3n多功能界面层的厚度为0.01～50μm。

5.如权利要求1所述的一种具有lif-li3n多功能界面层的锂负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将五氟苯甲酰胺加入乙二醇二甲醚中，经搅拌溶解制得五氟苯甲酰胺溶液；将制得的五氟苯甲酰胺溶液涂覆至锂金属表面，进而干燥，在锂金属表面原位形成lif-li3n多功能界面层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，搅拌方法为机械搅拌、机械震荡、超声分散的一种或几种的混合，搅拌时长为0.1～24小时。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，涂覆方法为旋涂、刷涂、喷涂、滚涂、浸涂、刮涂的一种或几种的混合。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，五氟苯甲酰胺溶液涂覆至锂金属表面的涂覆厚度为0.01～100μm。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，干燥方法为晾干、真空干燥、鼓风干燥的一种或几种的混合；

10.一种全固态锂电池，包含：正极、负极以及电解质，其特征在于，所述负极为权利要求1所述的具有lif-li3n多功能界面层的锂负极。

技术总结
本发明属于锂电池技术领域，涉及一种具有LiF‑Li<subgt;3</subgt;N多功能界面层的锂负极及其制备方法。所述具有LiF‑Li<subgt;3</subgt;N多功能界面层的锂负极由五氟苯甲酰胺溶液涂覆于锂金属表面形成。本发明方法制备的具有LiF‑Li<subgt;3</subgt;N多功能界面层的锂负极可实现对锂负极的保护，提升全固态锂电池安全性，将该负极用于全固态锂电池中，能够有效抑制锂枝晶的生长，实现均匀的锂沉积和剥离，改善全固态锂电池的循环寿命。

技术研发人员：姚霞银,吴铭,刘高瞻
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13