一种人工界面化的锂金属保护层及其制备方法与流程

本发明涉及锂电池，尤其是涉及一种人工界面化的锂金属保护层及其制备方法。

背景技术：

1、在我国2030年实现“碳达峰”及2060年实现“碳中和”的背景下，使用新能源替代传统化石能源达到低碳、降碳目标成为大势所趋。作为新能源动力及储能系统的的关键技术，构建高比能量、高安全性锂电池体系对助力双碳目标是目前研究重点。目前商业化的三元电池能量密度最高也仅为300wh/kg，其能量密度已到达理论极限，难以满足科技与社会发展的要求。在现有电池材料体系进行创新，开发新材料才有可能满足更高比能量电池的需求。金属锂负极具有最高的理论比容量和最低的电化学电位，使用金属锂替代常规石墨负极是构筑高能量密度体系的必然趋势。然而，锂金属阳极在循环过程中不均匀沉积会生成锂枝晶，与电解质界面不稳定性加剧，可能诱发内部短路，导致火灾、爆炸等严重安全事故。在高能量密度下，上述问题会加剧，难以满足日常安全使用。

2、研究表明，通过优化溶剂、li盐和电解质添加剂获得原位生成的固态电解质界面(sei)可以在一定程度上稳定锂的均匀沉积/溶解[zhaopingliu,acsenergyletters,2021,6:115]。然而，通过消耗添加剂原位形成的sei通常难以提供可控且足够的机械强度来维持锂金属阳极的长期循环稳定性。与原位sei相比，通过在锂金属表面设计非原位的人工界面层可以提高锂金属的界面稳定性，进而避免高活性锂金属的腐蚀并优化锂金属的沉积行为。

3、如何构建合理的人工界面层，使其在有效降低锂金属与电解液的接触同时调控均匀的锂沉积，以抑制副反应及锂枝晶的生长是高性能锂金属负极满足实际应用的关键。本发明公开了一种在锂金属表面设计非原位的人工界面层，在调节锂金属均匀沉积的同时避免高活性锂金属与电解液间的反应，提高锂金属的界面稳定性及循环性能，并将其应用于锂金属电池。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种人工界面化的锂金属保护层及其制备方法，调节锂金属均匀沉积的同时避免高活性锂金属与电解液间的反应，提高锂金属的界面稳定性及循环性能。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

3、一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，具体包括以下步骤：

4、s1、在氩气气氛下，将称量好的碳材料与玛瑙珠按照一定的比例放入球磨罐中，球磨分散均匀；然后将磷材料加入至球磨罐中，球磨分散，得到复合材料；

5、s2、将复合材料按照确定好的固含量加入到溶剂中，使用双行星搅拌机对材料进行分散，得到分散均匀的复合材料浆料；

6、s3、将称量好的粘结剂按照确定好的固含量加入至另一份溶剂中，双行星搅拌分散得到分散均匀的粘结剂胶液；

7、s4、将步骤s3中制备得到的粘结剂胶液加入至步骤s2中制备得到的分散好的复合材料浆料中进一步双行星搅拌分散后得到待涂覆浆料；

8、s5、使用微凹涂布机或者流延涂布机将步骤s4中制备得到的涂覆浆料涂覆至基材表面，在涂布机烘箱中加热烘干得到一定厚度的待转移样品；

9、s6、使用辊压机将步骤s5中的待转移样品连续转移至锂金属表面，得到具有人工界面层的锂金属。

10、作为优选，所述步骤s1中的碳材料为磷化石墨、石墨烯、硬碳、氟化石墨、氧化石墨、富勒烯中的一种；所述步骤s1中的碳材料与玛瑙珠比例范围为1:15-1:25。

11、作为优选，所述步骤s1中的磷材料为红磷、黑磷中的一种；所述步骤s1中的碳材料与磷材料的比例范围为1:2-1:5。

12、作为优选，所述步骤s1中球磨后得到的所述复合材料中值粒径范围为0.8μm-4μm。

13、作为优选，所述步骤s2中复合材料的固含量为10％-30％，双行星搅拌转速为600rpm-1000rpm，时间为2h-6h；所述步骤s3中粘结剂的固含量为5％-10％，双行星搅拌转速为500rpm-1200rpm，时间为4h-6h。

14、作为优选，所述步骤s2及步骤s3中的溶剂为二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、去离子水中的一种；所述步骤s3中粘结剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、海藻酸钠中的一种或多种。

15、作为优选，所述步骤s5中基材包括pet、al箔、cu箔中的一种，厚度为5μm-15μm；所述步骤s5中待转移样品的厚度为1μm-5μm。

16、作为优选，所述步骤s5中的加热温度为50℃-80℃。

17、作为优选，所述人工界面层中复合材料占人工界面层总质量的80％-95％，粘结剂占人工界面层总质量的5％-20％。

18、一种人工界面化的锂金属保护层，包括上述制备方法制备得到的人工界面化的锂金属保护层。

19、与现有技术相比，本发明的优点在于：

20、1、按照本申请中的方法，将复合材料材料混合后，可将不稳定的磷材料包裹于稳定的碳材料内部，形成p-c键，在提升磷材料的稳定性的同时降低碳材料的电子电导率，有助于保护层稳定的附着于锂金属表面，当锂枝晶生长时与碳包覆磷材料合金化为lixp，起到抑制锂枝晶的作用；

21、2、在基材表面成型具有p-c键的复合材料，通过辊压将其原位转移至锂金属表面形成人工界面层，与现有的预锂化人工界面层相比，具有体积变化小、结构稳定、li+快速传输且能够实现锂均匀沉积，可提升锂金属电池的循环稳定性；

22、3、将复合材料涂覆于基材料面，可通过辊压将其连续完整转移于li金属表面，提高了锂金属保护的生产效率。

技术特征：

1.一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的碳材料为磷化石墨、石墨烯、硬碳、氟化石墨、氧化石墨、富勒烯中的一种；所述步骤s1中的碳材料与玛瑙珠比例范围为1:15-1:25。

3.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的磷材料为红磷、黑磷中的一种；所述步骤s1中的碳材料与磷材料的比例范围为1:2-1:5。

4.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中球磨后得到的所述复合材料中值粒径范围为0.8μm-4μm。

5.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中复合材料的固含量为10％-30％，双行星搅拌转速为600rpm-1000rpm，时间为2h-6h；所述步骤s3中粘结剂的固含量为5％-10％，双行星搅拌转速为500rpm-1200rpm，时间为4h-6h。

6.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述步骤s2及步骤s3中的溶剂为二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、去离子水中的一种；所述步骤s3中粘结剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、海藻酸钠中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中基材包括pet、al箔、cu箔中的一种，厚度为5μm-15μm；所述步骤s5中待转移样品的厚度为1μm-5μm。

8.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中的加热温度为50℃-80℃。

9.根据权利要求1所述的一种人工界面化的锂金属保护层的制备方法，其特征在于，所述人工界面层中复合材料占人工界面层总质量的80％-95％，粘结剂占人工界面层总质量的5％-20％。

10.一种人工界面化的锂金属保护层，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的制备方法制备得到的人工界面化的锂金属保护层。

技术总结
本发明公开了一种人工界面化的锂金属保护层及其制备方法，人工界面层包括复合材料与粘结剂，通过微凹涂布机或者流延涂布机成型于5μm‑15μm基材表面，基材为PET或Al箔或Cu箔，涂覆层的厚度为1μm‑5μm，通过辊压将材料转移至Li金属表面。按照本申请中的方法，将复合材料材料混合后，可将不稳定的磷材料包裹于稳定的碳材料内部，形成P‑C键，在提升磷材料的稳定性的同时降低碳材料的电子电导率，有助于保护层稳定的附着于锂金属表面，当锂枝晶生长时与碳包覆磷材料合金化为Li<subgt;x</subgt;P，起到抑制锂枝晶的作用。

技术研发人员：林久,唐光盛,文宇浩,杨杰,陈鹏,李文贺,崔言明,顾宁峰,戈志敏
受保护的技术使用者：浙江锋锂新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27