一种二维金属锂的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于新能源电池领域，具体涉及一种二维金属锂的制备方法及其在锂硫电池、锂空气电池等新能源电池中的应用。

背景技术

金属锂具有较高的理论比容量和最低的电化学势，被公认为是最有前景的下一代高能量密度电池负极材料。但是，锂电池充放电循环过程中锂离子不均匀沉积导致的锂枝晶问题将不但造成库伦效率的降低，而且过度生长的锂枝晶甚至还会穿透隔膜，造成正负极之间发生短路，引发电池起火等安全事故。

金属锂具有良好的塑性变形特点，经过多次压缩、挤压甚至剪切等变形以后，将金属锂制备成二维大平面结构，使锂离子在平整的二维锂金属表面均匀形核、长大，将抑制锂离子的不均匀沉积现象，解决锂枝晶生长问题，从而显著提高锂电池循环寿命。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用多次压缩、挤压甚至剪切等变形方式制备二维金属锂的方法，改善锂硫电池、锂空气电池的循环寿命。

本发明技术方案如下：

在保护性气氛环境中，通过塑性变形法制备二维金属锂；所述塑性变形法为自由压缩方式、模具压缩方式、轧制方式、挤压方式、剪切方式中的一种或多种的组合；所述保护性气氛为惰性气氛或氮气。

本发明所制备的二维金属锂的厚度为纳米尺度。

本发明所涉及的自由压缩方式制备二维金属锂，是在氩气、氮气等保护性气氛环境中通过压头的冲击力或压力使金属锂在上下压头之间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需尺寸二维金属锂的一种加工方法；

本发明所涉及的模具压缩方式制备二维金属锂，是在氩气、氮气等保护性气氛环境中通压头头的冲击力或压力使金属锂在模具内沿特定方向发生变形，获得所需尺寸二维金属锂的一种加工方法；

本发明所涉及的轧制方式制备二维金属锂，是在氩气、氮气等保护性气氛环境中通轧辊的间隙使三维金属锂沿某一方向截面尺寸不断减小，最终获得所需尺寸二维金属锂的一种加工方法；

本发明所涉及的挤压方式制备二维金属锂，是在氩气、氮气等保护性气氛环境中通过凸模的压力使金属锂由模具的缝隙挤出，获得所需尺寸二维金属锂的一种加工方法；

本发明所涉及的剪切方式制备二维金属锂，是在氩气、氮气等保护性气氛环境中通过大小相等、方向相反的作用力使金属锂发生相对错动变形，获得所需尺寸二维金属锂的一种加工方法；

本发明所涉及的二维金属锂可以作为锂硫电池或锂空气电池负极，使锂离子在二维锂金属表面均匀形核、长大，抑制锂离子不均匀沉积现象，解决锂硫电池的锂枝晶生长问题，从而显著提高锂硫电池的循环寿命；

有益效果

1、本发明在保护性气氛环境中利用塑性变形法成功制备了二维金属锂。

2、本发明所涉及的二维金属锂可以作为锂空气电池或锂硫电池负极，使锂离子在二维锂金属表面均匀形核、长大，抑制锂离子不均匀沉积现象，解决锂空气电池的锂枝晶生长问题，从而显著提高锂空气电池的循环寿命。

附图说明

图1为常规三维锂电极及二维锂电极的电化学性能曲线图；其中，(a)为对比例1常规三维锂电极的充电-放电曲线图；(b)为实施例1二维金属锂电极的充电-放电曲线图，(c)为常规三维锂电极及二维锂电极的循环性能比较；

图2为电极微观形态的扫描电镜图；其中，(a,c,e)为不同放大倍数下的常规三维电极的锂枝晶；(b,d,f)为不同放大倍数下的光滑平整的二维锂电极。

具体实施方式

对比例1

与实施例1不同的是，对比例1在装配锂硫电池时，所用的负极材料为常规三维锂电极(购买于兴化市贝诺特电池材料有限公司)，厚度为1～2mm。

所装配的锂硫电池电化学性能测试数据如图1(a)所示；

锂硫电池充放电循环后不同放大倍数下的负极材料的扫描电镜图如图2(a,c,e)所示。

实施例1

首先将厚度为1～2mm的金属锂片放入充满氩气的手套箱中，在压头压力作用下对金属锂片进行压缩变形，变形量为30％；

在手套箱中，通过压头的压力作用对金属锂片再进行压缩变形，变形量为30％；

重复步骤(1)和(2)，直至金属锂片厚度到达20微米以下，获得二维金属锂片；

将二维金属锂片作为负极，氧化锰为正极，装配Li-O

实施例2

(1)首先将厚度为1～2mm的金属锂片放入充满氩气的手套箱中，在金属模具中通过压头压力作用对金属锂片进行压缩变形，变形量为30％；

(2)在手套箱中，通过金属模具中压头的压力作用对金属锂片再进行压缩变形，变形量为30％；

(3)重复步骤(1)和(2)，直至金属锂片厚度到达20微米以下，获得二维金属锂片；

(4)将二维金属锂片作为负极，单质硫为正极，装配锂硫电池。

二维金属锂电极的放电容量(600～800mAh/g)明显高于三维金属锂电极的放电容量(300～400mAh/g)，循环寿命明显提高。

实施例3

(1)首先将厚度为1～2mm的金属锂片放入充满氩气的手套箱中，在轧辊压力作用下对金属锂片进行压缩变形，变形量为30％；

(2)在手套箱中，通过轧辊的压力作用对金属锂片再进行压缩变形，变形量为30％；

(3)重复步骤(1)和(2)，直至金属锂片厚度到达20微米以下，获得二维金属锂片；

(4)将二维金属锂片作为负极，单质硫为正极，装配锂硫电池。

二维金属锂电极的放电容量(650～800mAh/g)明显高于三维金属锂电极的放电容量(300～400mAh/g)，循环寿命明显提高。

实施例4

(1)首先将厚度为1～2mm的金属锂片放入充满氩气的手套箱中，在凸模的压力作用下对金属锂片进行压缩变形，变形量为30％；

(2)在手套箱中，通过凸模的压力作用对金属锂片再进行压缩变形，变形量为30％；

(3)重复步骤(1)和(2)，直至金属锂片厚度到达20微米以下，获得二维金属锂片。

(4)将二维金属锂片作为负极，单质硫为正极，装配锂硫电池。

二维金属锂电极的放电容量(630～800mAh/g)明显高于三维金属锂电极的放电容量(300～400mAh/g)，循环寿命明显提高。

实施例5

(1)首先将厚度为1～2mm的金属锂片放入充满氩气的手套箱中，通过大小相等、方向相反的作用力使金属锂发生相对剪切变形，变形量为30％；

(2)在手套箱中，通过大小相等、方向相反的作用力对金属锂片再进行剪切变形，变形量为30％；

(3)重复步骤(1)和(2)，直至金属锂片厚度到达20微米以下，获得二维金属锂片。

(4)将二维金属锂片作为负极，单质硫为正极，装配锂硫电池。

二维金属锂电极的放电容量(600～750mAh/g)明显高于三维金属锂电极的放电容量(300～400mAh/g)，循环寿命明显提高。