一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法及其应用

本发明涉及一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法及其应用，属于锂金属电池负极。

背景技术：

1、金属锂具有3860mah g-1的高理论容量和-3.04v(vs.标准氢电极)的最低电化学电位，被认为是最具潜力的锂金属电池负极之一。但是金属锂的高反应活性导致了循环过程中锂的不均匀沉积，促进了锂枝晶和非活性锂的形成，进而造成容量衰减，严重影响电池的循环性能。此外，锂金属负极与电解液之间持续的副反应还将导致锂金属和电解液的持续消耗，使电池性能恶化甚至失效。

2、针对上述挑战，研究人员提出了诸多负极界面工程来作为锂金属电极的柔性调控策略。例如，通过构筑锂金属电极界面膜，如锡金属、银纳米颗粒、aln无机界面、pmma有机界面、cnf/me三维复合材料、ag-li3n复合材料等，可以改善界面处的可控且均匀的锂沉积行为；通过负载磁性co3o4或铁磁性合金作为界面膜形成微磁场来调控li+的传输路径，从而促进定向有序的锂沉积行为；通过构筑具有高机械强度界面的lipon界面膜、有机/无机复合材料界面膜来抑制锂枝晶生长；通过制备有机/无机杂化层或功能钝化层来增强锂金属电极对电解液/空气的耐腐蚀性。尽管如此，锂金属电极界面问题往往是相互关联和耦合的，单一结构组分的界面膜难以提供全面系统的解决方案。

3、近年来，高熵材料作为一个新兴的概念，在多个领域引起了越来越多的关注。一般来说，高熵材料代表了一种结晶成新单相的多元体系，其中五种或五种以上的主要元素共享等原子位点以稳定固溶体状态。高熵材料界面多面且错综复杂的界面结构不仅提供了广泛的界面化学性质和反应活性，还对材料的整体性能产生了实质性的影响。然而，由于锂金属负极的高反应活性和不稳定性，对其界面结构展开精确调控较为困难。

4、磁控溅射是一种广泛应用于薄膜材料制备的物理气相沉积技术。通过精确控制靶面的位置、旋转、功率和离子束密度，可以制备出致密、高质量和均匀的薄膜，同时提供调控晶体结构、取向、化学成分和微观结构等因素的能力，这对于制备高质量的高熵材料界面至关重要。所以通过调控功率、温度、工作气压等参数，采用直流磁控溅射法制备锂金属电极高熵材料界面，能够实现锂金属电极优异的亲锂性、磁性、抗腐蚀和力学性能等，构筑高性能锂金属电池。

技术实现思路

1、为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法。

2、本发明的目的之二在于提供一种高熵合金改性的锂金属电极的的应用。

3、为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

4、一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，所述方法步骤如下：

5、所述溅射靶材为al、zn、co、ni、fe、cu其中五种元素组成的高熵合金。

6、所述溅射基底为锂金属。

7、所述溅射温度范围为25℃～150℃。

8、所述溅射电压范围为320v～350v。

9、所述溅射功率范围为20w～40w。

10、所述溅射工作压力范围为0.5pa～1.5pa。

11、所述靶材至材料基底距离范围为6cm～8cm；所述氩气流量范围为25ml min-1～35ml min-1；所述基底转速范围为5r min-1～10rmin-1。

12、一种高熵合金改性的锂金属电极的应用，所述应用将本发明所述一种高熵合金改性的锂金属电极作为锂金属电池负极。

13、具体应用方法如下：

14、将本发明所述高熵合金改性的锂金属电极进行裁剪制备电极极片，组装对称电池，或匹配以磷酸铁锂、高镍三元等材料制备的正极极片组装锂金属电池。其中，隔膜采用聚丙烯、聚乙烯等高分子材料，电解液采用含锂盐的有机电解液。

15、有益效果

16、1.本发明提供了一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，所述方法选择al、zn、co、ni、fe、cu其中五种元素组成的高熵合金作为溅射靶材。通过精确控制靶面的位置、旋转、功率和温度，制备了致密、高质量和均匀的薄膜，其几乎不存在孔洞或裂纹等缺陷。高熵材料界面表面光滑平整、均匀致密，由排列紧密、粒径尺寸较为均匀的细小晶粒组成，众多的细小晶粒交叉聚合形成紧密连接、结构紧实的柱状堆积结构，有效防止柱状晶断裂实现界面膜较好的韧性特性；均匀分布的纳米晶为快速离子传输通道提供大量的晶界，从而促进对li+沉积的有效调控；高熵材料界面与li+之间较强的亲锂性能降低了成核能垒，促进了li+在电极表面均匀和平整的沉积；高熵材料界面的软铁磁性有效地减少离子的过度积累；高熵材料界面优异的抗腐蚀性和力学性能可以抑制电解液的严重化学和电化学腐蚀，缓解体积变化应力，保持sei的完整性和稳定性，从而有效抑制锂枝晶的生长。

17、2.一种高熵合金改性的锂金属电极的应用，所述应用将本发明所述一种高熵合金改性的锂金属电极作为锂金属电池负极。其组装的对称电池，在2ma cm-2的大电流密度下，实现超过4000h的超长循环和低极化电压；其匹配磷酸铁锂(lfp)组装的锂金属电池在300次循环后仍保持130mah g-1的高放电比容量，容量保持率为88％，平均ce超过99.7％。

技术特征：

1.一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，其特征在于：所述制备方法为磁控溅射；

2.根据权利要求1所述一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，其特征在于：所述溅射温度范围为25℃～150℃。

3.根据权利要求1所述一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，其特征在于：所述溅射电压范围为320v～350v。

4.根据权利要求1所述一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，其特征在于：所述溅射功率范围为20w～40w。

5.根据权利要求1所述一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，其特征在于：所述溅射工作压力范围为0.5pa～1.5pa。

6.根据权利要求1所述一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，其特征在于：靶材至材料基底距离范围为6cm～8cm，氩气流量范围为25ml min-1～35ml min-1，基底转速范围为5r min-1～10r min-1。

7.根据权利要求1所述一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法，其特征在于：所述溅射靶材为al、zn、co、ni、fe、cu其中五种元素组成的高熵合金；所述溅射基底为锂金属；所述溅射温度范围为25℃～150℃；所述溅射电压范围为320v～350v；所述溅射功率范围为20w～40w；所述溅射工作压力范围为0.5pa～1.5pa；所述靶材至材料基底距离范围为6cm～8cm；所述氩气流量范围为25ml min-1～35ml min-1；所述基底转速范围为5r min-1～10rmin-1。

8.一种高熵合金改性的锂金属电极的应用，其特征在于：将权利要求1～7中任意一项所述一种高熵合金改性的锂金属电极作为锂金属电池负极。

技术总结本发明涉及一种高熵合金改性的锂金属电极的制备方法及其应用，属于锂金属电池负极技术领域。所述方法采用磁控溅射法，将高熵合金作为靶材溅射到锂金属基底上。以所述高熵合金改性的锂金属电极作为电池负极，匹配LFP组装的全电池在1C倍率下，充放电循环300周仍保持130mAh g<supgt;‑1</supgt;的高放电比容量，容量保持率为88％。技术研发人员：陈人杰,罗冲,郑龙鸿,金枭雨,潘新慧受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2