一种3D亲锂复合材料及其制备方法和应用、锂金属负极及其制备方法和应用、锂金属电池与流程

本发明涉及电池，具体涉及一种3d亲锂复合材料及其制备方法和应用、锂金属负极及其制备方法和应用、锂金属电池。

背景技术：

1、锂枝晶生长和锂/电解液界面副反应是影响锂金属电池循环稳定性及安全性的主要问题。使用亲锂性优异、锂离子电导率高的材料修饰到铜箔表面作为3d集流体，能够诱导锂金属在电极上均匀沉积，从而抑制锂枝晶的生长。当前用于3d集流体材料主要包括以下几种：(1)泡沫镍和泡沫铜3d集流体，这类材料虽然能够诱导锂金属的均为沉积，但是由于本身质量较重、厚度较高，无法提高电池整体的能量密度；(2)电子绝缘的聚合物涂层，这类材料能够避免锂金属在其表面的直接沉积，但是由于锂离子传输能力较差，用其改性后的锂金属电极的电压极化较大，锂金属沉积不均匀；(3)亲锂性较好的金属颗粒、团簇等无机材料，这类材料制备流程复杂，比表面积较小，难以实现均匀负载。提供避免形成锂枝晶、锂离子传输能力强且机械强度高的3d集流体具有重要的意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种3d亲锂复合材料及其制备方法和应用、锂金属负极及其制备方法和应用、锂金属电池。本发明提供的3d亲锂复合材料能够避免形成锂枝晶、锂离子传输能力且强机械强度高。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种3d亲锂复合材料，包括还原氧化石墨烯和负载在所述还原氧化石墨烯表面的碲纳米片；

4、所述碲纳米片的横向尺寸为1～5μm；

5、所述碲纳米片的质量占还原氧化石墨烯质量的1～10％。

6、本发明提供了上述技术方案所述3d亲锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、将碲纳米片粉末、单层氧化石墨烯粉末和水混合，进行自组装，得到te nss@go复合材料；所述碲纳米片粉末的横向尺寸为1～5μm；所述碲纳米片粉末与单层氧化石墨烯粉末的质量比为1～10：100；

8、将所述tenss@go复合材料在保护气中进行退火处理，得到3d亲锂复合材料；所述保护气中含有氢气。

9、优选地，所述自组装的温度为20～40℃，时间为1～10h；所述自组装在超声条件下进行，所述超声的功率为50～150w。

10、优选地，所述保护气为惰性气体和氢气的混合气体；所述保护气的流量为20～70sccm；

11、所述退火处理的温度为250～450℃，时间为2～10h，温度由室温升至所述退火处理的温度的升温速率为1～10℃/min。

12、本发明提供了一种锂金属负极，包括负极集流体和负载在所述负极集流体表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层的制备原料包括负极活性物质、粘结剂和溶剂；所述负极活性物质包括上述技术方案所述的3d亲锂复合材料或上述技术方案所述制备方法制得的3d亲锂复合材料、粘结剂和溶剂。

13、优选地，所述负极集流体包括铜箔集流体；

14、所述粘结剂包括聚偏氟乙烯；所述3d亲锂复合材料和粘结剂的质量比为3～5：1；

15、所述有机溶剂包括n-甲基吡咯烷酮；所述3d亲锂复合材料和有机溶剂的质量比为5～10：1。

16、本发明提供了上述技术方案所述锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：

17、将3d亲锂复合材料、粘结剂和有机溶剂混合，得到浆料；

18、将所述浆料涂覆在铜箔集流体表面后干燥，得到锂金属负极。

19、本发明提供了上述技术方案所述的3d亲锂复合材料、上述技术方案所述制备方法制得的3d亲锂复合材料、上述技术方案所述的锂金属负极或上述技术方案所述制备方法制得的锂金属负极在电池中的应用。

20、本发明提供了一种锂金属电池，其特征在于，包括工作电极、对电极和电解液；所述工作电极为上述技术方案所述的锂金属负极或上述技术方案所述制备方法制得的锂金属负极；所述对电极为锂箔；所述工作电极和对电极通过隔膜分隔开。

21、优选地，所述电解液包括电解质和溶剂；所述电解质包括双三氟甲基磺酰亚胺锂和/或双氟磺酰亚胺锂盐。

22、本发明提供了一种3d亲锂复合材料，包括还原氧化石墨烯和负载在所述还原氧化石墨烯上的碲纳米片；所述碲纳米片的横向尺寸为1～5μm；所述碲纳米片的质量占还原氧化石墨烯质量的1～10％。在本发明中，te纳米片与li有较强的亲和性，可以消除li与基底的界面能垒，从而减小li的形核势垒；te纳米片具有较高的横向尺寸，与rgo组成的复合结构导电网络适度减小高曲率表面，防止尖锐突出造成的锂离子通量的不均匀性，避免形成锂枝晶，能够很好的稳定锂金属负极；te纳米片与li结合形成的li2te可以催化电解液中阴离子的分解，诱导形成富lif的杂化sei，lif作为sei的成分具有较高的机械强度和快速的锂离子传输能力，同样可以避免锂枝晶的生长，还可以避免活性锂与电解液的直接接触，减少两者的消耗，避免界面副反应的发生，延长电池的寿命。本发明提供的3d亲锂复合材料作为负极活性材料，锂传输能力强，电池的库伦效率高，循环寿命长。

23、本发明提供的3d亲锂复合材料的制备方法，工艺简单，操作简单，绿色环保，适宜工业化生产。

技术特征：

1.一种3d亲锂复合材料，包括还原氧化石墨烯和负载在所述还原氧化石墨烯上的碲纳米片；

2.权利要求1所述3d亲锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述自组装的温度为20～40℃，时间为1～10h；所述自组装在超声条件下进行，所述超声的功率为50～150w。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述保护气为惰性气体和氢气的混合气体；所述保护气的流量为20～70sccm；

5.一种锂金属负极，包括负极集流体和负载在所述负极集流体表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层的制备原料包括负极活性物质、粘结剂和溶剂；所述负极活性物质包括权利要求1所述的3d亲锂复合材料或权利要求2～4任一项所述制备方法制得的3d亲锂复合材料。

6.根据权利要求5所述的锂金属负极，其特征在于，所述负极集流体包括铜箔集流体；

7.权利要求5或6所述锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：

8.权利要求1所述的3d亲锂复合材料、权利要求2～4任一项所述制备方法制得的3d亲锂复合材料、权利要求5～6任一项所述的锂金属负极或权利要求7所述制备方法制得的锂金属负极在电池中的应用。

9.一种锂金属电池，其特征在于，包括工作电极、对电极和电解液；所述工作电极为权利要求5～6任一项所述的锂金属负极或权利要求7所述制备方法制得的锂金属负极；所述对电极为锂箔；所述工作电极和对电极通过隔膜分隔开。

10.根据权利要求9所述的锂金属电池，其特征在于，所述电解液包括电解质和溶剂；所述电解质包括双三氟甲基磺酰亚胺锂和/或双氟磺酰亚胺锂盐。

技术总结本发明提供了一种3D亲锂复合材料及其制备方法和应用、锂金属负极及其制备方法和应用、锂金属电池，涉及电池技术领域。Te纳米片与Li有较强的亲和性，可以消除Li与基底的界面能垒，从而减小Li的形核势垒；Te纳米片具有较高的横向尺寸，与rGO组成的复合结构导电网络适度减小高曲率表面，防止尖锐突出造成的锂离子通量的不均匀性，避免形成锂枝晶，能够很好的稳定锂金属负极；Te与Li结合形成的Li<subgt;2</subgt;Te可诱导形成富LiF的杂化SEI，LiF具有电子绝缘、锂离子传导的特性，并且具有较高的机械强度，避免锂金属/电解液界面副反应的发生。以本发明提供的3D亲锂复合材料为负极活性材料的电池的库伦效率高，循环寿命长。技术研发人员：宫勇吉,金椿乔,翟朋博受保护的技术使用者：天目山实验室技术研发日：技术公布日：2024/7/29