一种大面积单晶锂金属的制备方法及金属锂电池

本发明属于无机材料制备与能源材料，具体涉及一种大面积单晶锂金属的制备方法及金属锂电池。

背景技术：

1、随着能源危机和环境污染问题日益严重，全球范围内对清洁能源和高效储能技术的需求持续增长。在各类储能技术中，电池已成为一个重要发展方向。尽管传统锂离子电池在实际应用中取得了显著成就，但其负极材料的理论能量储存达到极限，使得进一步大幅提升其能量密度变得越发困难。因此，在这一技术瓶颈下，锂金属电池因其高能量密度(3860mah g-1)倍受青睐，被视作新一代突破性高能电池的重要候选者之一。

2、然而，作为锂金属电池的重要组成部分，金属锂负极由于其独特的物理化学性质(如超高的理论比容量、低熔点、高活泼性)，在实际应用中面临着严重的安全性和稳定性挑战。目前，研究者已从界面修饰、三维复合负极、电解液添加剂、开发固态电解质等方法试图解决锂金属在电池循环中的问题，这些策略大多集中在锂金属负极或电解质的改性，而没有涉及到最根本、最原始的锂金属负极本身的制备。

3、其实，传统的金属锂本身通常含有多种杂质和晶体缺陷，通常含有(110)、(200)、(211)多个晶面，而各个晶面上的传输动力学等性质有所差异，致使后续过程中的锂沉积不均匀，造成充放电过程中尖端沉积，产生枝晶生长和内部短路等问题；而且现有中的金属锂制备方法如电解法、区域熔炼法等，在实现大面积、连续化和单晶化方面存在诸多局限性，例如难以控制结晶形态、无法保证大面积上的一致性和晶体完整性等。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大面积单晶锂金属的制备方法，能够消除了锂金属负极的不规则晶粒边界，降低了晶界电阻，提升了负极表面的离子传输动力学。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、一种大面积单晶锂金属的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

4、s1：通过化学浸渍法将锂金属箔置于卤代辛烷溶液中进行表面改性处理；

5、s2：在锂金属表面生成均匀分散的卤化锂表面层，并在随后的热处理过程中引导熔融态锂金属的大面积单晶生长；

6、s3：将锂金属放入电解液中溶解表面的卤化锂层，得到大面积单晶金属锂箔。

7、所述s1中，锂金属箔纯度为98wt％以上，厚度为50μm～500μm，宽度为1cm～10cm，长度为5cm～25cm。

8、所述s1中，锂金属箔在处理过程中采取多圈卷绕的方式，用于增大锂金属箔的处理面积。

9、所述s1中，卤代辛烷为c8h17f、c8h17cl、c8h17br、c8h17i中的任意一种或多种，所述溶剂为四氢呋喃。

10、所述卤代辛烷溶液中，卤代辛烷溶质与有机溶剂的质量比为1：30～1：100。

11、所述卤代辛烷溶液需预先磁力搅拌1h～10h，用于在锂金属表面生成均匀的卤化锂表面层。

12、所述s1中，表面改性处理法为：锂金属箔置于卤代辛烷溶液中充分浸泡1h～10h，然后取出在室温下干燥1h～12h。

13、所述s2中热处理的具体方式为：从室温开始以1℃/min～10℃/min的速率升温，至181℃～300℃后保温1～300min，最后自然冷却至室温。

14、所述s3中的电解液包括：1m litfsi in dol/dme with 2％lino3、0.2m lipf6、0.2m libf4、0.8m lidfob in dec:fec＝2:1vol％、1m litfsi in dme:dol＝1:1vol％、1mlipf6in ec:dec＝1:1vol％中的任意一种。

15、一种金属锂电池，采用上述制备方法获得金属锂电池。

16、本发明取得的技术效果为：

17、本发明的一种大面积单晶锂金属的制备方法得到的大面积单晶锂有助于消除多晶结构中常见的不规则晶粒边界，这些边界往往是导致锂枝晶生长、“死锂”生成和电池内部短路问题的重要原因。通过实现单晶锂金属结构，可以显著降低因枝晶引发的安全隐患。

18、本发明的一种大面积单晶锂金属的制备方法得到的大面积单晶锂相比于多晶锂具有更低的晶界电阻，因此能够有效减少电解质与电极之间的界面阻抗，进一步优化电池充放电效率，延长电池使用寿命。

19、本发明的一种大面积单晶锂金属的制备方法得到的大面积单晶金属锂作为电极材料使用时，其均匀的晶体结构极大地改善了锂离子在电极表面和体相中的传输动力学，从而均匀锂沉积，提高电池循环稳定性。

技术特征：

1.一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述s1中，锂金属箔纯度为98wt％以上，厚度为50μm～500μm，宽度为1cm～10cm，长度为5cm～25cm。

3.根据权利要求1所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述s1中，锂金属箔在处理过程中采取多圈卷绕的方式，用于增大锂金属箔的处理面积。

4.根据权利要求1所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述s1中，卤代辛烷为c8h17f、c8h17cl、c8h17br、c8h17i中的任意一种或多种，所述溶剂为四氢呋喃。

5.根据权利要求4所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述卤代辛烷溶液中，卤代辛烷溶质与有机溶剂的质量比为1：30～1：100。

6.根据权利要求4所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述卤代辛烷溶液需预先磁力搅拌1h～10h，用于在锂金属表面生成均匀的卤化锂表面层。

7.根据权利要求1所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述s1中，表面改性处理法为：锂金属箔置于卤代辛烷溶液中充分浸泡1h～10h，然后取出在室温下干燥1h～12h。

8.根据权利要求1所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述s2中热处理的具体方式为：从室温开始以1℃/min～10℃/min的速率升温，至181℃～300℃后保温1～300min，最后自然冷却至室温。

9.根据权利要求1所述的一种大面积单晶锂金属的制备方法，其特征在于：所述s3中的电解液包括：1m litfsi in dol/dme with 2％lino3、0.2m lipf6、0.2m libf4、0.8mlidfobin dec:fec＝2:1vol％、1m litfsi in dme:dol＝1:1vol％、1m lipf6 in ec:dec＝1:1vol％中的任意一种。

10.一种金属锂电池，其特征在于：采用权利要求1-9所述的制备方法获得金属锂电池。

技术总结本发明属于无机材料制备与能源材料技术领域，具体涉及一种大面积单晶锂金属的制备方法与金属锂电池，该方法通过化学浸渍法将锂金属箔置于卤代辛烷溶液中表面改性处理，在锂金属表面生成均匀分散的卤化锂表面层，并在随后的热处理过程中引导熔融态锂金属的大面积单晶生长，最后将其放入电解液中溶解表面的卤化锂层，得到大面积单晶金属锂箔。本发明通过调控晶体结构改善了锂离子在电极表面和体相中的传输动力学，从而均匀锂沉积，提高锂金属电池的循环稳定性；大面积单晶锂箔不仅可以用于扣式电池的组装，也可以直接应用于大容量软包电池的装配，为高能量密度储能设备的设计提供了新的可能性。技术研发人员：王澳轩,张琳雪,曹金超,杨婷,白育民,王嘉祥受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1