一種用于鋰金屬電池的負極材料制造技術

本發明專利技術公開了一種用于鋰金屬電池的負極材料，包括鋰片與人工固體電解質界面膜，所述的人工固體電解質界面膜經磁控濺射法沉積在鋰片表面；所述的人工固體電解質界面膜選自LiF、LiBr、LiCl、LiI、Li2CO3、LiOH、Li3P、Li3PO4、LiNO3、Li2S、Li2SO4、Li3N中的至少一種。本發明專利技術提供了一種用于鋰金屬電池的負極材料，通過物理沉積無機鋰鹽到鋰片上，以其作為鋰金屬電池的負極材料，可以有效地抑制鋰枝晶的生長，提高鋰金屬電池的安全性與循環性能。

Negative electrode material for lithium metal battery

The invention discloses a lithium battery anode material, including lithium tablets and artificial solid electrolyte interphase, the artificial solid electrolyte interphase by magnetron sputtering deposition in the lithium surface; at least one of the artificial electrolyte selected from LiF, LiBr, LiCl, LiI, Li2CO3, LiOH, Li3P, Li3PO4, LiNO3, Li2S, Li2SO4, Li3N. The present invention provides a method for lithium battery anode material, lithium to lithium by physical deposition of inorganic films, the cathode material as lithium metal batteries, can effectively inhibit the lithium dendrite growth, improving the safety and cycle performance of lithium metal batteries.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及鋰電池領域，具體涉及一種用于鋰金屬電池的負極材料。
技術介紹
鋰離子電池在現代生活中有著廣泛的應用。盡管鋰離子電池已經被廣泛應用于各種電子設備，混合動力汽車，純電動汽車上，但是由于它的石墨負極與鋰化的正極，容量已經幾乎達到了理論容量。鋰金屬電池由于其高的比容量，是理想的下一代電池。鋰金屬電池仍有許多問題囧待解決，最大的挑戰就是鋰枝晶生長的問題。隨著電池的循環，鋰枝晶會不斷的生長與積累，一旦鋰枝晶刺穿電池的隔膜，使電池正負極相連，便會造成電池的短路，同時增加歐姆熱量，如果使用的是醚類電解液，還會造成電解液燃燒，帶來安全隱患。通過對鋰負極的改性，可以促進鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長，解決鋰金屬電池的安全問題，增加循環性能。根據目前的研究，對鋰負極改性的研究多局限于對電解液的改性，如使用聚合物電解質、離子液體電解質、有機-無機混合電解質等；又或者，通過使用電解液添加劑調控鋰負極表面的固體電解質界面膜的成分與結構，如無機類添加劑二氧化碳、鹵化鋰鹽等，或有機類添加劑氟代碳酸乙烯酯、碳酸亞乙烯酯等。上述的改性方法可以在一定程度上解決鋰織晶的問題，但是還不能在根本上解決。除上述改性方法外，斯坦福大學的崔屹教授提出將單層納米碳球包覆在金屬鋰負極的表面，在鋰負極和固體電解質界面膜之間構筑一層具有優異機械性能的緩沖層，防止沉積的鋰刺穿界面膜。這種方式極大地提高了負極的循環穩定性，抑制了枝晶的產生(Zhengetal.Interconnectedhollowcarbonnanospheresforstablelithiummetalanodes.NatureNanotechnology2014,doi:10.1038/nnano.2014.152)。清華大學張強課題組從金屬鋰負極本身的結構入手，使用三維Li7B6納米纖維作為金屬鋰沉積的骨架，通過設計材料的納米結構，賦予其自抑制枝晶生長的特性，相關工作近期發表于Small。但這些方式增加了電池整體重量，且制備過程繁瑣，不利于商業化生產。
技術實現思路
本專利技術提供了一種用于鋰金屬電池的負極材料，通過物理沉積無機鋰鹽到鋰片上，以其作為鋰金屬電池的負極材料，可以有效地抑制鋰枝晶的生長，提高鋰金屬電池的安全性與循環性能。具體技術方案如下：一種用于鋰金屬電池的負極材料，包括鋰片與人工固體電解質界面膜，所述的人工固體電解質界面膜經磁控濺射法沉積在鋰片表面；所述的人工固體電解質界面膜選自LiF、LiBr、LiCl、LiI、Li2CO3、LiOH、Li3P、Li3PO4、LiNO3、Li2S、Li2SO4、Li3N中的至少一種。通過磁控濺射法在鋰片表面沉積人工固體電解質界面膜的過程中，以鋰片為基材，以LiF、LiBr、LiCl、LiI、Li2CO3、LiOH、Li3P、Li3PO4、LiNO3、Li2S、Li2SO4、Li3N中的至少一種作為靶材。作為優選，所述的人工固體電解質界面膜選自LiF、LiBr或Li3P。優選的這幾種人工固體電解質界面膜可以有效地抑制鋰枝晶的生長。作為優選，磁控濺射的工藝條件為：磁控濺射功率為50～150W，時間為1～100min，工作氣壓為5～15mTorr。通過對工藝條件的調控可以控制沉積在鋰片表面的人工固體電解質界面膜的厚度及致密度。進一步優選，所述的人工固體電解質界面膜選自LiF。經試驗發現，相較于其它種類的人工固體電解質界面膜，LiF膜對鋰枝晶生長的抑制效果最佳。再優選，所述磁控濺射的條件為：磁控濺射功率為80～100W，時間為10～20min，工作氣壓為5～10mTorr。在上述優選的工藝條件下濺射得到的LiF膜的厚度為75～150nm。最優選，所述磁控濺射的條件為：磁控濺射功率為80W，時間為20min，工作氣壓為10mTorr。此時，濺射得到的LiF膜的厚度為150nm。經試驗發現，該厚度下的LiF膜對鋰枝晶生長的抑制效果最佳。與現有技術相比，本專利技術具有以下突出優勢：本專利技術經簡單的磁控濺射工藝在鋰片表面沉積人工固體電解質界面膜，有效地抑制鋰枝晶的生長，增加鋰金屬電池的循環性能與安全性。該制備工藝簡單，且制備得到的人工固體電解質界面膜的厚度可控。附圖說明圖1為實施例1制備的負極材料的掃描電鏡圖；圖2為1mAcm-2條件下，以實施例1制備的負極材料為電極組裝的鋰金屬對稱電池的性能；圖3為經過循環之后，實施例1制備的負極材料的掃描電鏡圖；圖4為1mAcm-2條件下，以實施例2制備的負極材料為電極組裝的鋰金屬對稱電池的性能；圖5為1mAcm-2條件下，以實施例3制備的負極材料為電極組裝的鋰金屬對稱電池的性能；圖6為經過循環之后，以實施例3制備的負極材料的掃描電鏡圖；圖7為以實施例4制備的負極材料為電極組裝的鋰金屬半電池的放電比容量及庫倫效率圖；圖8為以實施例5制備的負極材料為電極組裝的鋰金屬半電池的庫倫效率測試。具體實施方式以下的實施例將對本專利技術進行更為全面的描述。實施例1以LiF為靶材，以鋰片為基底，磁控濺射的功率設置為80W，氣壓設置為10mTorr，時間設置為20min，在鋰片表面沉積得到厚度為150nm的LiF膜，即為用于鋰金屬電池的負極材料，其SEM圖見圖1。以本實施例制備的負極材料為鋰金屬對稱電池的電極，添加1M雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiTFSI)的PC為電解液。使用2032型號的紐扣電池在氬氣保護的手套箱中進行電池裝配。恒電流測試的電流密度為1mAcm-2，容量為1mAhcm-2，性能參見圖2。經循環10次后，負極材料的SEM圖如圖3所示，觀察圖3可知，循環過后的鋰金屬表面沒有鋰織晶生成。實施例2以LiF為靶材，以鋰片為基底，磁控濺射的功率設置為80W，氣壓設置為10mTorr，時間設置為10min，在鋰片表面沉積得到厚度為75nm的LiF膜，即為用于鋰金屬電池的負極材料，其SEM圖與實施例1相似。以本實施例制備的負極材料為鋰金屬對稱電池的電極，參考實施例1中的原料與裝配過程組裝得到鋰金屬電池，經測試，性能與實施例2中的類似。恒電流測試的電流密度為1mAcm-2，容量為1mAhcm-2，性能參見圖4。經循環10次后，負極材料的SEM圖與實施例1的相似。實施例3以LiF為靶材，以鋰片為基底，磁控濺射的功率設置為100W，氣壓設置為10mTorr，時間設置為50min，在鋰片表面沉積得到厚度為500nm的LiF膜，即為用于鋰金屬電池的負極材料，其SEM圖與實施例1相似。以本實施例制備的負極材料為鋰金屬對稱電池的電極，參考實施例1中的原料與裝配過程組裝得到鋰金屬電池，經測試，性能與實施例2中的類似。恒電流測試的電流密度為1mAcm-2，容量為1mAhcm-2，性能參見圖5。經循環10次后，負極材料的SEM圖如圖6所示，觀察圖6可知，循環過后的鋰金屬表面有鋰織晶生成。實施例4以LiF為靶材，以鋰片為基底，磁控濺射的功率設置為80W，氣壓設置為5mTorr，時間設置為15min，在鋰片表面沉積得到厚度為100nm的LiF膜，即為用于鋰金屬電池的負極材料，其SEM圖與實施例1相似。以本實施例制備的負極材料為鋰金屬半電池的負極，Li4Ti5O12為電池的正極，添加1MLiFP6的EC:DEC(1:1)為電解液。使用2032型號的紐本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于鋰金屬電池的負極材料，包括鋰片與人工固體電解質界面膜，其特征在于，所述的人工固體電解質界面膜經磁控濺射法沉積在鋰片表面；所述的人工固體電解質界面膜選自LiF、LiBr、LiCl、LiI、Li2CO3、LiOH、Li3P、Li3PO4、LiNO3、Li2S、Li2SO4、Li3N中的至少一種。

【技術特征摘要】
1.一種用于鋰金屬電池的負極材料，包括鋰片與人工固體電解質界面膜，其特征在于，所述的人工固體電解質界面膜經磁控濺射法沉積在鋰片表面；所述的人工固體電解質界面膜選自LiF、LiBr、LiCl、LiI、Li2CO3、LiOH、Li3P、Li3PO4、LiNO3、Li2S、Li2SO4、Li3N中的至少一種。2.根據權利要求1所述的用于鋰金屬電池的負極材料，其特征在于，所述的人工固體電解質界面膜選自LiF、LiBr或Li3P。3.根據權利要求2所述的用于鋰金屬電池的負極材料，其特征在于，所述磁控濺射的條件...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陸盈盈，范磊，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33