【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無負極鋰金屬電池，尤其涉及一種高能量密度和長循環壽命的無負極鋰金屬電池及其制備方法和應用。
技術介紹
1、電動汽車及便攜式電子設備對鋰電池性能與成本的要求不斷提升，迫切需要更高能量密度、更低成本的電池。基于鋰離子插層化學的傳統鋰離子電池的能量密度正在接近其極限，難以滿足各種新興領域的發展需求。鋰金屬電池由于金屬鋰負極具有最低的電極電勢(-3.04v?vs.she)和極高的理論比容量(3860mah?g-1)，能顯著提高電池的能量密度，因而受到了廣泛的研究。
2、然而，目前可商用的金屬鋰箔一般是通過機械軋制生產，厚度在50～100μm(10～20mah?cm-2)，由此構筑的鋰金屬全電池的負極/正極容量比(即n/p比)較大，不僅影響電池能量密度的發揮，同時由于大量化學性質活潑的金屬鋰的使用，大幅增加生產成本，并引起的嚴重的安全隱患。因此，實用化的鋰金屬電池需要使用超薄金屬鋰箔(≤20μm)來克服上述問題。不幸的是，由于金屬鋰的粘性和受擠壓變形時不受限制的位錯運動，制造厚度小于20μm的金屬鋰箔面臨著機械強度差和生產加工難的挑戰。最近，yi?cui等人利用熔融鋰注入氧化石墨烯宿主的方式制備出0.5～20μm超薄金屬鋰箔(nat.energy?2021,6,790–798)，但是此類制備工藝存在量產難度大、效率低、成本高的問題。類似的，通過電化學沉積或者真空蒸鍍制備超薄金屬鋰箔同樣存在上述問題。因此，廉價規模生產超薄鋰箔極具挑戰，這將嚴重削弱鋰金屬電池潛在的商業優勢。
3、與鋰金屬電池相比，無負極
4、由此可見，在保持無負極鋰金屬電池高能量密度和低成本優勢的前提下，如何抑制金屬鋰在銅集流體表面的沉積/剝離過程引起的不可逆消耗，提高沉積鋰的致密性，延長無負極鋰金屬電池的循環壽命，是當前亟待解決的關鍵難題。
技術實現思路
1、本專利技術利用原位植晶技術，在電池注液封裝后的首次充放電(化成過程)之前在負極集流體上原位構建一層超薄的鋰植晶層，從而解決了金屬鋰在負極集流體的不均勻形核的問題，后續充電后能夠在集流體上原位形成致密均勻、與集流體具有強結合力的鋰沉積層，在保持高能量密度的同時顯著提高循環壽命；再結合補鋰添加劑與氟化酰胺類電解液，從而具有更長的循環壽命。
2、本專利技術的目的通過如下的技術方案來實現。
3、本專利技術一方面提供一種無負極鋰金屬電池。
4、本專利技術另一方面提供所述無負極鋰金屬電池的制備方法。
5、本專利技術再一方面提供所述無負極鋰金屬電池用于電子設備、智能電網或電動汽車中的用途。
6、根據本專利技術的一個方面，提供了一種無負極鋰金屬電池，其包括：
7、正極，所述正極包括正極集流體和正極活性材料層；
8、負極集流體，
9、在與正極對應的負極集流體表面上形成的鋰植晶層，其中所述鋰植晶層由電化學原位沉積的金屬鋰構成；
10、電解液；以及
11、隔膜。
12、一、負極集流體
13、在本專利技術中，負極集流體上不含負極活性材料，因此稱為無負極。
14、所述負極集流體包括金屬集流體，如選自銅、鎳、鈷、鈦和鐵中的一種或其兩種以上的合金，優選為銅箔；非金屬集流體，如選自碳纖維布、碳纖維紙、石墨紙和導電有機聚合物中的一種或兩種以上，優選為石墨紙；金屬-聚合物復合集流體，如具有三層結構，中間層為聚合物薄膜，上、下層為金屬鍍層，其中聚合物可以為選自聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚苯并咪唑、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰亞胺、聚酰亞胺-磷酸三苯酯共聚物和聚氨酯中的一種或兩種以上，優選為具有阻燃特性的聚酰亞胺-磷酸三苯酯共聚物。負極集流體優選為銅與聚酰亞胺-磷酸三苯酯共聚物的復合集流體，例如聚酰亞胺-磷酸三苯酯的鍍銅復合集流體。所述負極集流體的厚度可以為1-100μm，優選為1-10μm。
15、本專利技術還包括負極集流體至少一面上形成的涂層，該涂層與鋰植晶層的位置不做特別限制，涂層可以位于鋰植晶層上，也可以位于負極集流體與鋰植晶層之間，還可以與鋰植晶層形成一個復合層。涂層的作用是促進鋰金屬在其表面致密地沉積生長，和/或抑制沉積的鋰金屬的腐蝕。涂層可以為含金屬的銦、鈷、鍺、鋁、錫、金、銀、鋅、鎂、硅、鉍、鈀、鉑中的一種或其兩種以上的合金，也可以為含非金屬的乙炔黑、科琴黑、炭黑、石墨、石墨烯、導電聚合物、人造界面膜(人造sei)，或為上述金屬與非金屬組合的混合物。
16、二、鋰植晶層
17、在本專利技術中，與正極對應的所述負極集流體上形成超薄的鋰植晶層，其中所述鋰植晶層的厚度為5-2000nm，優選為20-1000nm，更優選為50-500nm。
18、本專利技術所述鋰植晶層是無負極鋰金屬電池經電化學原位沉積(原位植晶)所形成，所述電化學原位沉積包括以下步驟：
19、無負極鋰金屬電池在注液封裝后、化成前進行恒流充電，和/或恒壓充電，充電過程控制金屬鋰的形核過電位(相對金屬鋰的標準電勢)為0.1～2v，優選為0.6-1.5v，特別為1v。
20、在一些實施方式中，恒流充電過程為：在溫度t1下，以恒定充電倍率c1充電，充電時間為t1；
21、恒壓充電過程為：在溫度t2下，以恒定充電電壓v1充電，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種無負極鋰金屬電池，其包括：
2.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述鋰植晶層的厚度為5-2000nm，優選為20-1000nm，更優選為50-500nm。
3.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述電化學原位沉積包括以下步驟：
4.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述負極集流體為選自金屬集流體、非金屬集流體或金屬-聚合物復合集流體；
5.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述正極集流體為選自金屬集流體、非金屬集流體或金屬-聚合物復合集流體；
6.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述正極活性材料層包含正極活性材料和補鋰添加劑；
7.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述電解液包含至少一種鋰鹽和有機溶劑，優選地，所述電解液還包含阻燃劑或惰性稀釋劑；
8.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述隔膜為選自多孔聚烯烴類聚合物膜或多孔無紡布，
9.如權利要求1-8任一項所述的無負極鋰金屬電池的制備方法，包括以下步驟
10.如權利要求1-8任一項所述的無負極鋰金屬電池用于電子設備、智能電網或電動汽車中的用途。
...【技術特征摘要】
1.一種無負極鋰金屬電池，其包括：
2.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述鋰植晶層的厚度為5-2000nm，優選為20-1000nm，更優選為50-500nm。
3.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述電化學原位沉積包括以下步驟：
4.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述負極集流體為選自金屬集流體、非金屬集流體或金屬-聚合物復合集流體；
5.根據權利要求1所述的無負極鋰金屬電池，其中，所述正極集流體為選自金屬集流體、非金屬集流體或金屬-聚合物復合集流體；
...
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。