复合锂金属负极材料及制备方法、锂金属电池、用电装置与流程

本申请属于电池材料，具体涉及一种复合锂金属负极材料及制备方法、锂金属电池、用电装置。

背景技术：

1、随着电动汽车和便携式电子设备的快速发展，高能量密度的可再生储能系统受到越来越多的关注。在众多负极材料中，金属锂具有极高的理论比容量(3680mah/g)和低的还原电位(-3.34v vs.she)，被认为是高能量密度电池负极材料的“圣杯”电极。然而，由于锂枝晶不可控生长和对电解液高反应性导致的库仑效率低、循环寿命短及内短路等问题严重制约着金属锂负极的实用化进展。

2、集流体作为金属锂沉积/脱出的基底,其对锂负极的循环稳定性起着至关重要的作用，设计三维集流体被认为是目前最有前景的解决锂枝晶生长问题的策略。然而，受限于锂离子吸附能力差而产生的成核势垒，普通的三维集流体几乎无法调节接近电极/电解质界面的锂离子浓度，导致成核过电位略高，循环寿命有限。

3、因此，如何改善金属锂电池负极的化学特性，以抑制锂枝晶的生长，提高电池的电性能，是目前需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种复合锂金属负极材料及其制备方法、锂金属电池、用电装置，所构建的复合金属锂负极可以有效抑制枝晶的生长，并能解决目前锂金属电池负极存在的无限体积膨胀等问题，是一种提高电池电化学性能的有效策略。

2、一方面，本申请提供一种复合锂金属负极材料，包括具有多孔结构的导电骨架和填充于所述导电骨架孔隙中的金属锂，其中，所述导电骨架包括亲锂金属硒化物和导电材料。

3、在一些实施例中，所述导电骨架的孔隙率为80～95％。

4、在一些实施例中，所述导电骨架的厚度为100～2000μm。

5、在一些实施例中，所述亲锂金属硒化物包括ag2se或znse中的至少一种。

6、在一些实施例中，所述复合锂金属负极材料的面容量为0.5～20mah/cm2。

7、另一方面，本申请实施例还提供一种复合锂金属负极材料的制备方法，用于制备上述任意实施例中的复合锂金属负极材料，包括如下步骤：

8、将硒源与亲锂金属源混合进行反应，得到亲锂金属硒化物；

9、将所述亲锂金属硒化物与导电剂原料混合，在低温下冷冻干燥，随后进行热处理，得到亲锂金属硒化物/导电材料；

10、对所述亲锂金属硒化物/导电材料沉积金属锂，以使金属锂填充于所述亲锂金属硒化物/导电材料的孔隙中，得到复合锂金属负极材料。

11、在一些实施例中，所述硒源中的硒元素与亲锂金属源中的亲锂金属元素的摩尔比为1:(0.5～3)。

12、在一些实施例中，所述亲锂金属硒化物与导电剂原料的质量比为1：(0.5～1.5)。

13、在一些实施例中，所述硒源包括氧化硒或金属硒。

14、在一些实施例中，所述亲锂金属源包括硝酸银、氯化银、硫酸银、硝酸锌、氯化锌或硫酸锌中的至少一种。

15、在一些实施例中，所述导电剂原料包括氧化石墨烯。

16、在一些实施例中，所述冷冻干燥的温度为-196～-180℃。

17、在一些实施例中，所述热处理的温度为350～500℃，退火时间为1～4h，加热速率为1～3℃/min。

18、在一些实施例中，所述沉积金属锂的电流为0.5～4ma/cm2，沉积的时间为0.5～40h。

19、本申请实施例还提供一种锂金属电池，包括负极极片，所述负极极片包括上述任意实施例中的复合锂金属负极材料。

20、本申请实施例还提供一种用电装置，包含上述锂金属电池。

21、本申请提供的复合锂金属负极材料，包括具有多孔结构的导电骨架和填充于导电骨架孔隙中的金属锂，其中，导电骨架包括亲锂金属硒化物和导电材料。导电骨架形成互连导电路径的三维结构，可以有效降低局部电流密度，使锂离子通量均匀化，并引导均匀的锂沉积/剥离，并且可以为锂沉积提供额外的空间和界面来限制锂的体积膨胀。另外，亲锂金属硒化物能够和锂金属发生原位转化反应，形成的li2se具有较高的离子电导率，能够促进整个电极上快速均匀的锂离子传输，从而实现更紧凑的锂沉积，而不会形成枝晶，同时形成的亲锂金属单质在原位形成的亲锂位点可以有效调控锂成核行为、降低成核势垒，增强电池循环寿命。

技术特征：

1.一种复合锂金属负极材料，其特征在于，包括具有多孔结构的导电骨架和填充于所述导电骨架孔隙中的金属锂，其中，所述导电骨架包括亲锂金属硒化物和导电材料。

2.根据权利要求1所述的一种复合锂金属负极材料，其特征在于，所述导电骨架的孔隙率为80～95％；和/或，

3.根据权利要求1所述的一种复合锂金属负极材料，其特征在于，所述复合锂金属负极材料的面容量为0.5～20mah/cm2。

4.根据权利要求1所述的一种复合锂金属负极材料，其特征在于，所述亲锂金属硒化物包括ag2se或znse中的至少一种；和/或，

5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述硒源中的硒元素与亲锂金属源中的亲锂金属元素的摩尔比为1:(0.5～3)；和/或，

7.根据权利要求5所述的一种复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述硒源包括氧化硒或金属硒；和/或，

8.根据权利要求5所述的一种复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的温度为-196～-180℃；和/或，

9.一种锂金属电池，包括负极极片，其特征在于，所述负极极片包括如权利要求1～4任一项所述的复合锂金属负极材料或包括如权利要求5～8中任一项所述的制备方法制得的复合锂金属负极材料。

10.一种用电装置，其特征在于，包含如权利要求9所述的锂金属电池。

技术总结
本申请提供一种复合锂金属负极材料及其制备方法、锂金属电池、用电装置，复合锂金属负极材料包括具有多孔结构的导电骨架和填充于导电骨架孔隙中的金属锂，其中，导电骨架包括亲锂金属硒化物和导电材料。导电骨架形成互连导电路径的三维结构，可以有效降低局部电流密度，使锂离子通量均匀化，并引导均匀的锂沉积/剥离，并且可以为锂沉积提供额外的空间和界面来限制锂的体积膨胀。另外，亲锂金属硒化物能够和锂金属发生原位转化反应，形成的Li2Se具有较高的离子电导率，能够促进整个电极上快速均匀的锂离子传输，从而实现更紧凑的锂沉积，同时形成的亲锂金属单质在原位形成的亲锂位点可以有效降低成核势垒，增强电池循环寿命。

技术研发人员：马勇,师悦,胡波剑,李云明
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10