本發明專利技術公開了一種用于鋰金屬電池的無鋰負極和其制備方法及鋰金屬電池，無鋰負極包括集流體；金屬層，設置在所述集流體的至少一側上，所述金屬層的材質為錫、鎂、鋅、鉍、鉛、銀、鋁的一種或多種；氧化石墨烯層，設置在所述金屬層遠離所述集流體的一側上。本發明專利技術不僅提高了鋰在負極沉積的均勻性，以抑制鋰枝晶的生長，而且提高了電池的庫倫效率和容量保持率。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鋰金屬電池生產，尤其涉及一種無鋰負極和其制備方法以及包含無鋰負極的鋰金屬電池。
技術介紹
1、鋰離子電池在主導消費電子市場后，正在迅速擴大其在電動汽車和電力儲能方面的應用。然而隨著新能源電動汽車的大規模應用和發展，對鋰電池的輕量化和能量密度都提出了更高的要求。在這種情況下，鋰金屬電池（lmb）引起了人們的關注。鋰金屬負極由于其超高的理論比容量（3860mah/g）以及最負的電極電勢（-3.04v，相當于標準氫電極）一度成為當前研究的熱點。但是當想要最大化提升電池能量密度時，通常需要搭載超薄鋰金屬，而由于金屬鋰具有較高的反應活性，會與空氣中的氧氣和水發生劇烈反應并爆炸，這就導致了電池的生產環境要求非常嚴苛。基于此，無鋰負極電池就成為了較理想的選擇。
2、無鋰負極不使用負極活性材料，僅使用負極集流體，在首次充電過程中完成負極鍍鋰，放電時再回到正極，實現充放循環。無鋰負極不僅極大提升了電池的能量密度，而且在實際的生產過程中避免了直接使用超薄鋰金屬帶來的不便和安全隱患。
3、同時無鋰負極在應用時還存在一些問題。在鋰金屬的沉積和脫鋰過程中，由于負極集流體的不平整以及局部不均勻的液相傳質，會導致不均勻的鋰沉積，而不均勻的鋰沉積會加速鋰枝晶的生長，進而導致死鋰的生成，使得電池發生較大的體積膨脹，降低鋰的利用率，并最終導致電池電化學性能的下降，而且過度生長的鋰枝晶甚至會增加安全隱患。此外，固體電解質（sei）的重復形成會加速電解液的消耗并限制鋰的含量，迅速降低電池的庫倫效率和容量保持率。
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p>技術實現思路1、為克服上述缺點，本專利技術的目的在于提供一種無鋰負極和其制備方法以及包含無鋰負極的鋰金屬電池，不僅提高了鋰在負極沉積的均勻性，以抑制鋰枝晶的生長，而且提高了電池的庫倫效率和容量保持率。
2、為了達到以上目的，本專利技術采用的技術方案之一是：一種用于鋰金屬電池的無鋰負極，包括
3、集流體；
4、金屬層，設置在所述集流體的至少一側上，所述金屬層的材質為錫、鎂、鋅、鉍、鉛、銀、鋁的一種或多種；
5、氧化石墨烯層，設置在所述金屬層遠離所述集流體的一側上。
6、本專利技術無鋰負極的有益效果在于：
7、通過在集流體上設置金屬層，利用金屬層表面的等離子共振效應，使得其具有較高的電子傳導性，可降低局部電流密度過密的問題，進而使得鋰能均勻沉積，以抑制鋰枝晶的生長；氧化石墨烯層具有較高的鋰離子電導率，能有效促進鋰離子的擴散，且氧化石墨烯的含氧官能團可以進一步促進鋰離子的遷移和分布，提升鋰金屬電池的的倍率性能，且使鋰均勻沉積以抑制鋰枝晶的生長。氧化石墨烯的二維結構可以作為鋰離子的沉積模板，引導鋰離子的均勻沉積，進一步減少鋰枝晶的形成。氧化石墨烯層能對金屬層上的金屬粒子起到錨定的作用，使得親鋰離子位點更加穩定，同時也避免了放電過程中親鋰位點的脫落，進而提升電池的初始庫倫效率和容量保持率。此外，以氧化石墨烯層作為無鋰負極的最外層，能利用氧化石墨烯穩定的電化學性能和機械強度抑制鋰析出及嵌入體積變化較大的問題，提高電池的長期穩定性，且氧化石墨烯穩定的電化學性能能增強無鋰負極的抗腐蝕性。
8、進一步來說，所述金屬層包括自靠近所述集流體向遠離所述集流體方向依次設置的納米金屬層、增厚金屬層。
9、納米金屬層中的納米金屬粒子能在充電過程中與鋰離子合金化生成lixy（其中y為金屬），例如納米銀粒子能在充電過程中與鋰離子合金化生成lixag，因此在鋰化過程中，新生成的鋰能夠擴散進入金屬合金內部形成合金相，而不是沉積在金屬表面形成金屬鋰，這種合金化過程避免了鋰在電極表面的沉積/剝離，有助于形成穩定的sei膜。并且lixy合金的生成能夠實現較低的成核電勢，從而調節鋰的沉積行為并穩定無鋰負極，使鋰金屬電池具有更好的電化學性能和穩定性。此外，納米金屬層使無鋰負極與電解液接觸更好，促進鋰離子的傳輸和分布，從而提高電池的倍率性能。
10、納米金屬層中的較小粒徑的納米金屬粒子能更好地嵌入在集流體表面，以利于增強金屬層與集流體的結合力；而在納米金屬層表面設置增厚金屬層能增加金屬層的整體厚度，以利于金屬層在集流體表面的均勻性，保證其電導性能，同時能有效防止納米金屬層的脫落，并為納米金屬層供給金屬粒子，保證合金化的充分進行。
11、進一步來說，所述納米金屬層的厚度為8~12nm，所述增厚金屬層的厚度為50~500nm；和/或
12、所述納米金屬層采用原位光還原或激光還原的方式制備；所述增厚金屬層采用磁控濺射、真空蒸鍍、水電鍍中的一種或多種方式制備。采用原位光還原能使制備的納米金屬層致密性更好，粒徑更加均勻。通過磁控濺射、真空蒸鍍、水電鍍的方式在納米金屬層表面鍍金屬能使金屬粒子沉積在納米金屬粒子表面，以優化納米金屬粒子的表面性能，使其具有更好的電導穩定性。
13、進一步來說，所述集流體為復合銅箔，所述復合銅箔包括高分子基膜層和設置在所述高分子基膜層至少一側的所述金屬銅層，所述金屬層設置在所述金屬銅層上；
14、所述金屬銅層采用磁控濺射、真空蒸鍍、水電鍍中的一種或多種方式制備，所述金屬銅層的厚度為0.5~10μm；
15、所述高分子基膜層采用聚酰胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、芳綸、聚二甲酰苯二胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚丙乙烯、聚甲醛、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚碳酸酯、纖維素及纖維素衍生物、淀粉及淀粉衍生物、蛋白質及蛋白質衍生物、聚乙烯醇及聚乙烯醇交聯物、聚乙二醇及聚乙二醇交聯物中的至少一種。
16、進一步來說，所述氧化石墨烯層采用旋涂、刮涂、輥涂、超聲噴涂、狹縫涂布中的一種或多種方式制備，所述氧化石墨烯層的厚度為10~500nm。
17、氧化石墨烯具有較高的鋰離子電導率，能有效促進鋰離子的擴散，在放電過程中，金屬離子容易從合金中進入到電解液中，通過氧化石墨烯層的包覆能對金屬離子起到錨定的作用，使得金屬層中的親鋰離子位點更加穩定，同時，也避免了在充放電過程中親鋰位點的脫落，提升無鋰負極上親鋰位點穩定性。
18、本專利技術采用的技術方案之二是：一種用于鋰金屬電池的無鋰負極的制備方法，包括如下步驟：
19、在集流體的至少一側制備金屬層，所述金屬層的材質為錫、鎂、鋅、鉍、鉛、銀、鋁的一種或多種；
20、在所述金屬層遠離所述集流體的一側表面涂覆氧化石墨烯。
21、本專利技術制備方法的有益效果在于：
22、通過在集流體上設置金屬層，利用金屬層表面的等離子共振效應，使得其具有較高的電子傳導性，可降低局部電流密度過密的問題，進而使得鋰能均勻沉積，以抑制鋰枝晶的生長；氧化石墨烯層具有較高的鋰離子電導率，能有效促進鋰離子的擴散，且氧化石墨烯的含氧官能團可以進一步促進鋰離子的遷移和分布，提升鋰金屬電池的的倍率性能，且使鋰均勻沉本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：包括
2.根據權利要求1所述的用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：所述金屬層包括自靠近所述集流體向遠離所述集流體方向依次設置的納米金屬層、增厚金屬層。
3.根據權利要求2所述的用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：所述納米金屬層的厚度為8~12nm，所述增厚金屬層的厚度為50~500nm；和/或
4.根據權利要求1所述的用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：所述集流體為復合銅箔，所述復合銅箔包括高分子基膜層和設置在所述高分子基膜層至少一側的金屬銅層，所述金屬層設置在所述金屬銅層上；
5.根據權利要求1所述的用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：所述氧化石墨烯層采用旋涂、刮涂、輥涂、超聲噴涂、狹縫涂布中的一種或多種方式制備，所述氧化石墨烯層的厚度為10~500nm。
6.一種用于鋰金屬電池的無鋰負極的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于：還包括以下特征的一項或多項：
8.根據權利要求6或7所述的制備方法，其特征在于：所述“在集流體的至少一側制備金屬層”包括：
9.根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于：在負載納米金屬層時，所述原位光還原包括：
10.一種鋰金屬電池，其特征在于：包含權利要求1-5任一所述的無鋰負極。
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【技術特征摘要】
1.一種用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：包括
2.根據權利要求1所述的用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：所述金屬層包括自靠近所述集流體向遠離所述集流體方向依次設置的納米金屬層、增厚金屬層。
3.根據權利要求2所述的用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：所述納米金屬層的厚度為8~12nm，所述增厚金屬層的厚度為50~500nm；和/或
4.根據權利要求1所述的用于鋰金屬電池的無鋰負極，其特征在于：所述集流體為復合銅箔，所述復合銅箔包括高分子基膜層和設置在所述高分子基膜層至少一側的金屬銅層，所述金屬層設置在所述金屬銅層上；
5.根據權利要求1所述的用于鋰金...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李國軍，居澤星，劉成，翁子航，武俊偉，翁偉嘉，
申請(專利權)人：江蘇英聯復合集流體有限公司，
類型：發明
國別省市：
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