一种梯度界面改性的电极材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及锂金属电池复合电极材料，具体涉及一种梯度界面改性的电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池自1991年商业化以来，以其能量密度高、循环寿命长和安全性能好成的特点为当今智能电子产品和电动汽车等的主要储能装置。历经30余年的发展，现阶段基于插层机制的石墨基锂离子电池的容量及能量密度再也无法满足人们对于高能量密度和功率密度电池的需求。金属锂，因其高的理论比容量(3860mah/g)、低的电化学电位(-3.04vvs.标准氢电极)和轻的质量密度(0.534g/cm3)等优点，近些年来得到人们的广泛关注。然而作为一种高活性“无宿主”的负极材料，金属锂在循环过程中存在严重的体积膨胀，其不稳定的固液界面极易引发锂枝晶的生长及“死锂”的产生，造成电池循环寿命短、库伦效率低，并伴随热失控等问题。

2、针对上述问题，研究人员从三维轻质导电集流体、人造固态电解质界面层(sei)、电解液改性和隔膜修饰等方面着手，强化金属锂负极的电化学性能。其中人造sei层是一种极为有效的改性策略，通过事先人为构筑一层sei作为物理屏障，隔绝金属锂与电解液之间的直接接触，来实现电池库伦效率的提升。同时通过优化sei组分来调控li+在sei中的扩散行为，实现金属锂的稳定沉积。

3、本发明通过分析li+在sei中的传输行为，提出一种梯度界面策略来实现金属锂的均匀沉积。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种梯度界面改性的电极材料及其制备方法和应用，该方法通过气液等离子体技术构建了成分梯度分布的双层富无机sei层，其具有良好的化学/电化学稳定性、优异的机械强度和高的离子电导率，能够有效抑制锂枝晶的生长和调控li+沉积行为，所制备的电极材料能够增强锂金属电池的倍率性能，以及延长电池的循环寿命。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种梯度界面改性的电极材料的制备方法，包括以下步骤：将碱金属置于等离子体反应装置中，然后以氮气作为气体源，碳酸乙烯酯为液体源，将氮气和碳酸乙烯酯混合后通入等离子体反应装置中，在射频功率50-200w、真空度为10-30pa和温度为60-200℃条件下进行等离子体反应，得梯度界面改性的电极材料。

3、进一步，碱金属为金属锂、钠和钾中的至少一种。

4、进一步，采用气体鼓泡的方式将氮气和碳酸乙烯酯混合。

5、进一步，氮气进气流量为5-20sccm。

6、进一步，反应时间为10-300s。

7、本发明还提供了上述梯度界面改性的电极材料的制备方法制得的梯度界面改性的电极材料。

8、本发明还提供了梯度界面改性的电极材料在制备电池电极中的应用

9、本发明还提供了梯度界面改性的电极材料在锂金属电池中的应用。

10、本发明具有以下有益效果：

11、1、本发明通过氮气和碳酸乙烯酯气液混合等离子体技术在电极金属表面构建了成分梯度分布的双层富无机sei层。该界面层具有良好的化学/电化学稳定性、优异的机械强度和高的离子电导率，能够有效抑制锂枝晶的生长和调控li+沉积行为，实现高库伦效率。

12、2、本发明方法在金属表面构筑的双层富无机的sei层能够调控界面处li+的电化学沉积行为。该sei层的外层为富li3n/li2o的有机无机复合层，内层为富li2o的无机层，外层高的对锂吸附能和低的li+扩散势垒能够实现li+快速扩散，内层li2o电绝缘特性阻碍电子的传输，避免li+提前沉积在sei层内，此外li2o/li高的界面能有利于li的横向沉积，实现无锂枝晶形貌。本发明方法通过复合等离子体界面工程构筑梯度界面的策略为缓解碱金属枝晶生长提供了新的思路，所制备的电极材料在移动通讯、电动汽车、太阳能发电和航空航天等领域具有广阔的应用前景。

13、3、本发明梯度界面改性的电极材料的sei界面为li+的传输提供了快速通道，降低极化，能够增强锂金属电池的倍率性能，并且其较高的界面稳定性可以实现电池的长循环寿命。

技术特征：

1.一种梯度界面改性的电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碱金属置于等离子体反应装置中，然后以氮气作为气体源，碳酸乙烯酯为液体源，将氮气和碳酸乙烯酯混合后通入等离子体反应装置中，在射频功率50-200w、真空度为10-30pa和温度为60-200℃条件下进行等离子体反应，得梯度界面改性的电极材料。

2.如权利要求1所述的梯度界面改性的电极材料的制备方法，其特征在于，所述碱金属为金属锂、钠和钾中的至少一种。

3.如权利要求1所述的梯度界面改性的电极材料的制备方法，其特征在于，采用气体鼓泡的方式将氮气和碳酸乙烯酯混合。

4.如权利要求1所述的梯度界面改性的电极材料的制备方法，其特征在于，氮气进气流量为5-20sccm。

5.如权利要求1所述的梯度界面改性的电极材料的制备方法，其特征在于，反应时间为10-300s。

6.权利要求1-5任一项所述的梯度界面改性的电极材料的制备方法制得的梯度界面改性的电极材料。

7.权利要求6所述的梯度界面改性的电极材料在制备电池电极中的应用。

8.权利要求6所述的梯度界面改性的电极材料在锂金属电池中的应用。

技术总结本发明公开了一种梯度界面改性的电极材料及其制备方法和应用，涉及锂金属电池复合电极材料技术领域，该制备方法包括以下步骤：将碱金属置于等离子体反应装置中，然后将氮气和碳酸乙烯酯混合后通入等离子体反应装置中进行等离子体反应，得梯度界面改性的电极材料。本发明还公开了一种梯度界面改性的电极材料及其在制备电池电极中和锂金属电池中的应用。该方法通过气液等离子体技术构建了成分梯度分布的双层富无机SEI层，其具有良好的化学/电化学稳定性、优异的机械强度和高的离子电导率，能够有效抑制锂枝晶的生长和调控Li<supgt;+</supgt;沉积行为，所制备的电极材料能够增强锂金属电池的倍率性能，以及延长电池的循环寿命。技术研发人员：夏新辉,张永起受保护的技术使用者：浙江普乐斯新能源有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29