一种复合锂金属负极材料的制备方法

本发明属于锂金属电池，具体涉及一种复合锂金属负极材料的制备方法。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，全球经济的快速发展，能源需求不断增加，传统化石能源的资源短缺和环境排放问题也日益突出。而锂离子电池作为一种绿色环保的储能技术越来越受到人们的钟爱，然而锂离子电池由于其低能量密度、循环寿命有限和安全性问题等，限制了其进一步应用的发展，越来越不能满足人们对于能源的需求。

2、为了满足日益增长的市场需求，科学家发现采用金属锂作为阳极的锂金属电池(lmbs)具有更大的后发优势。与锂离子电池相比，锂金属电池具有低至0.53g/cm3的质量密度和-3.04v的阳极电位以及高至3860mah·g-1的理论能量密度，显然远高于目前已经大规模使用的锂离子电池中的石墨阳极(372mah·g-1)，因此锂金属电池被很多人称为“圣杯电极”，也是高性能电动汽车和大功率便携式电子设备最有希望的候选材料之一。同时随着智能手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式电子设备的广泛普及，推动了锂金属电池在移动设备领域的快速发展。锂金属电池作为这些设备的主要电源，需要具备高能量密度、长循环寿命和安全性能等优势。

3、锂金属电池虽然有超高的理论容量，但其安全问题和循环稳定性问题成为限制其发展的重要因素，而这两个限制因素本质上都可以归咎于锂负极上不断生长的锂枝晶。锂枝晶是锂离子在沉积和析出的过程中锂负极表面形成的树枝状金属锂，锂枝晶的存在是金属锂电池发展的巨大阻碍因素之一，其造成的电池库仑效率低、容量衰减快、消耗电解液和安全问题都是锂金属电池发展需要克服的挑战。因此，想要大规模的应用锂金属电池必须首先解决它的稳定性和安全性。经过科学家不断地研究发现，在锂金属电极表面生成稳定的固态电解质界面(sei)、表面改性、合金化锂金属电极和构造三维(3d)骨架结构等都可以抑制锂枝晶的生长，提高锂金属电池的稳定性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种复合锂金属负极材料的制备方法，采用溶剂热法制备出金属有机框架(bi-mof)晶体，然后把所得的粉末通过液压机进行挤压，得到一种具有一定厚度圆形的片状mof材料，在氩气的气氛下通过纳秒脉冲激光，诱导碳化直接转化为掺铋的多孔碳薄膜，可以实现了金属纳米颗粒尺寸和多孔碳结构的可控。

2、本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种复合锂金属负极材料的制备方法，包括如下步骤：

3、1.采用溶剂热法制备bi-mof：在100ml聚四氟乙烯内衬钢反应器中溶剂热条件下进行合成，在室温下将750mg 1、3、5-苯三甲酸(btc)和150mg五水水合硝酸铋依次溶解在50mln、n二甲基甲酰胺(dmf)/10ml乙醇(meoh)去离子水的60ml混合溶液中；粉末完全溶解后，将透明混合物转移到反应器中；密封后，将高压釜在120℃下保存24小时，然后冷却至室温，通过离心收集沉淀物，用去离子水和甲醇洗涤几次，然后在干燥箱中真空下以80℃加热6小时，以除去mof中的水；

4、2.圆形薄膜的制备：首先将圆形模具用无水乙醇预清洗并在真空中干燥。将100mg步骤1制备的产物mof粉末置于圆形模具中，然后将带有mof粉末模具放在油压机中进行压制；

5、3.多孔碳薄膜制备：将步骤2中通过油压机制备的圆形薄膜处于氩气的气氛下，然后利用纳秒脉冲激光进行激光照射，最终得到的多孔碳薄膜作为锂金属电池的负极材料。

6、进一步的，所述步骤1中高压釜使用具体设置为升温一小时，升温温度为120℃，然后在120℃下保存24小时，最后降温3小时，降温温度为50℃。

7、进一步的，所述步骤1中的洗涤采用高速离心机进行洗涤，每次设置转速为10000转，时间为30分钟。

8、进一步的，所述步骤2中圆形模具的直径为20mm。

9、进一步的，所述步骤2中使用的油压机参数具体为：压力20mpa，时间3min。

10、进一步的，所述步骤3中使用的纳秒脉冲激光参数具体为：焦距调整为350mm、波长为1064nm、脉冲持续时间为80ns、频率为20khz、功率设置在20-25w的范围内、激光扫描路线以100mm s-1。

11、本发明与现有技术相比的有益效果是：

12、(1)本发明通过溶剂热法制备出bi-mof晶体粉末，通过油压机进行挤压制备出圆形薄膜，然后通过纳秒脉冲激光技术进行激光照射，最终得到多孔碳薄膜作为复合锂金属负极材料，得到的形成含有的铋纳米颗粒具有亲锂性能够优先诱导锂成核，降低锂的成核电位，有助于锂的均匀沉积，抑制锂枝晶的形成。同时多孔碳的多空结构不仅能够提供了离子的传输通道而且能够有效地适应锂剥离和电镀时的体积变化。得益于bi纳米粒子与多孔碳的协同作用，该复合材料不仅可以减少离子/电子扩散途径，增强反应动力学，还可以有效缓解合金/脱合金过程中的体积膨胀。因此对于改善锂金属电池的循环性能具有重要的作用，极大的提升了锂金属电池的库伦效率、循环寿命及安全稳定性。

13、(2)本发明采用纳秒脉冲激光技术进行激光照射，此方法简单，可重复操作性好，能够节约大量的时间，提高了它的制作效率，对于锂金属电池的发展具有重要的推进作用。

技术特征：

1.一种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：

2.根据权利要求1所述的复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中高压釜使用具体设置为升温一小时，升温温度为120℃，然后在120℃下保存24小时，最后降温3小时，降温温度为50℃。

3.根据权利要求1所述的复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中的洗涤采用高速离心机进行洗涤，每次设置转速为10000转，时间为30分钟。

4.根据权利要求1所述的复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中圆形模具的直径为20mm。

5.根据权利要求1所述的复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中使用的油压机参数具体为：压力20mpa，时间3min。

6.根据权利要求1所述的复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中使用的纳秒脉冲激光参数具体为：焦距调整为350mm、波长为1064nm、脉冲持续时间为80ns、频率为20khz、功率设置在20-25w的范围内、激光扫描路线以100mm s-1。

技术总结本发明属于锂金属电池技术领域，公开了一种复合锂金属负极材料的制备方法。包括采用溶剂热法制备出金属有机框架晶体，然后把所得的粉末通过液压机进行挤压，得到一种具有一定厚度圆形的片状MOF材料，在氩气的气氛下通过纳秒脉冲激光，诱导碳化直接转化为掺铋的多孔碳薄膜。本发明采用纳秒脉冲激光技术进行激光照射，此方法简单，可重复操作性好，能够节约大量的时间，提高了它的制作效率，对于锂金属电池的发展具有重要的推进作用。技术研发人员：卢春兰,高帅雨,李琳,罗艳荣,那兆霖,刘旭东,惠宇,王兴安受保护的技术使用者：大连大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5