一种氢化硼烯/PVDF复合锂金属电池负极及其制备方法与应用与流程

本发明涉及锂金属电池，具体是一种氢化硼烯/pvdf复合锂金属电池负极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、锂金属电池因其极高的理论比容量（3860mah/g）和最低的氧化还原电位（-3.04vvs she），被认为是下一代高能量密度储能设备的核心候选，在电动汽车、大型储能电站等领域具有不可替代的应用前景。然而，锂金属负极在充放电过程中面临的三大核心难题，严重制约了其产业化进程：一是锂枝晶生长，锂枝晶会刺穿电池隔膜，导致电池内部短路、热失控，引发安全隐患；二是界面不稳定，锂枝晶的生长与脱落会破坏固体电解质界面（sei）膜，产生“死锂”，降低电池库仑效率；三是体积膨胀，锂金属充放电过程中体积变化可达300%以上，会导致电极开裂、界面剥离，进一步缩短电池循环寿命。

2、为解决上述问题，现有技术中提出了多种锂枝晶抑制策略，其中负极界面修饰因操作简单、效果显著，成为研究热点。聚偏氟乙烯（pvdf）作为锂电领域常用的粘结剂与界面修饰材料，具有优异的化学稳定性、热稳定性、电化学惰性及成膜性，其分子结构中的碳-氟键可在电池充放电过程中原位生成lif保护层，有助于稳定sei膜，缓解锂枝晶生长。但单一pvdf作为界面修饰层时，存在机械强度不足、离子导电性较差的问题，难以有效抵御锂枝晶的刺穿，且无法为锂离子提供均匀的成核位点，使得仍会出现锂枝晶生长现象，无法满足高能量密度锂金属电池的长期循环需求。

3、氢化硼烯（hydrogenated borophene）又称硼烷、氢硼化物，是一种新型二维层状材料，由硼烯经氢化改性得到，兼具高机械强度、优异的离子导电性、良好的亲锂性与电子导电性，其二维层状结构可作为锂离子均匀成核的位点，引导锂金属均匀沉积，从根源上抑制锂枝晶生长，同时，其高机械强度可增强界面层的抗刺穿能力，缓解锂金属体积膨胀带来的界面破坏，此外通过氢化改性可有效解决纯硼烯稳定性差的问题，拓宽其在电池领域的应用前景。

4、但是目前，氢化硼烯在锂金属电池领域的应用研究尚处于起步阶段，尚未见将氢化硼烯与高纯度锂电级pvdf复合，利用两者协同作用构建锂金属电池负极界面修饰层，实现锂枝晶高效抑制、界面稳定性提升及电池性能优化的相关方法。在现有技术中，pvdf多与氧化物（lialo2、latp）、mofs、碳材料等复合，其抑制锂枝晶的效果有限，且无法兼顾界面刚性与柔性的平衡，而单一氢化硼烯修饰层则存在柔韧性不足、界面附着力差的问题，易出现开裂、剥离现象，无法满足长期循环需求。

5、基于此，现在提供一种氢化硼烯/pvdf复合锂金属电池负极及其制备方法与应用，可以消除现有技术方案存在的弊端。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氢化硼烯/pvdf复合锂金属电池负极及其制备方法与应用，以解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种氢化硼烯/pvdf复合锂金属电池负极的制备方法，具体包括以下步骤：

4、步骤s1、原料预处理：将氢化硼烯粉末放入真空干燥箱中，干燥操作结束得到预处理后氢化硼烯，将锂电级pvdf粉末溶解于有机溶剂中，搅拌至pvdf完全溶解、无明显颗粒后得到pvdf母液，将锂金属箔裁剪成预设尺寸，经无水乙醇超声清洗、真空干燥箱干燥后，得到预处理后锂金属基底，并将其转移至惰性气体保护的手套箱中备用，将导电添加剂放入真空干燥箱中，干燥操作结束得到预处理后导电添加剂；

5、步骤s2、复合浆料制备：将预处理后氢化硼烯、预处理后导电添加剂加入至pvdf母液中，搅拌使氢化硼烯、导电添加剂分散在pvdf母液中，再经超声分散得到均匀分散、无团聚的复合浆料；

6、步骤s3、涂覆：采用刮刀涂覆、喷涂或浸涂的方式，将复合浆料均匀涂覆至预处理后锂金属基底表面，涂覆过程在惰性气体保护的手套箱中进行；

7、步骤s4、干燥：将涂覆后的锂金属基底放入真空干燥箱中，采用梯度升温干燥方式去除残留溶剂，得到表面平整、无气泡的半成品负极极片；

8、步骤s5、压片：在惰性气体保护下，通过平板压片机对干燥后的半成品负极极片进行压片处理，增加复合修饰层与锂金属基底间的结合紧密性，所述复合修饰层由复合浆料经涂覆处理而成；

9、步骤s6、成品处理：将压片处理后的负极极片放入惰性气体保护的手套箱中冷却至室温，经裁剪、封装后得到氢化硼烯/pvdf复合锂金属电池负极成品。

10、进一步地，所述步骤s1中原料预处理具体包括氢化硼烯预处理、pvdf母液制备、锂金属基底预处理和导电添加剂预处理，具体包括：

11、氢化硼烯预处理：将氢化硼烯粉末放入真空干燥箱中，在温度为60℃~120℃、真空度≤10pa的条件下干燥8h~24h，去除氢化硼烯粉末表面吸附的水分与杂质，干燥操作结束得到预处理后氢化硼烯；

12、pvdf母液制备：将锂电级pvdf粉末溶解于有机溶剂中，在温度为60℃~80℃、搅拌速度为300r/min~800r/min的条件下搅拌2h~6h，搅拌至pvdf完全溶解、无明显颗粒后，静置1h~2h，配置得到质量浓度为5%~20%的pvdf母液；

13、锂金属基底预处理：将锂金属箔裁剪成预设尺寸，在超声功率为100w~300w的条件下放入无水乙醇中超声清洗5min~15min，去除锂金属箔表面氧化层与油污，然后放入真空干燥箱中，在温度为40℃~60℃的条件下干燥2h~4h，干燥后得到预处理后锂金属基底，并将其转移至惰性气体保护的手套箱中备用；

14、导电添加剂预处理：将导电添加剂放入真空干燥箱中，在温度为80℃~100℃的条件下干燥4h~8h，去除导电添加剂表面水分，干燥操作结束得到预处理后导电添加剂。

15、进一步地，所述步骤s2中复合浆料制备具体包括：将预处理后氢化硼烯、预处理后导电添加剂加入至pvdf母液中，在室温、搅拌速度为500r/min~1000r/min的条件下搅拌2h~6h，搅拌使氢化硼烯、导电添加剂分散在pvdf母液中，然后在超声功率为100w~500w的条件下超声分散1h~3h，且每超声分散30min需要停顿10min，超声分散后得到均匀分散、无团聚的复合浆料，所述室温为20~25℃。

16、进一步地，所述步骤s3中涂覆具体包括：采用刮刀涂覆、喷涂或浸涂的方式，将复合浆料均匀涂覆至预处理后锂金属基底表面，涂覆过程在惰性气体保护的手套箱中进行，涂覆后所述复合修饰层的厚度控制在1μm~20μm；

17、其中，当采用刮刀涂覆时，刮刀涂覆的刮刀间隙为10μm~40μm，涂覆速度为5mm/s~15mm/s，当采用喷涂时，喷涂的喷枪压力为0.1mpa~0.3mpa，喷涂距离为10cm~20cm，喷涂速度为8mm/s~12mm/s，当采用浸涂时，浸涂的浸泡时间为10s~30s，提拉速度为5mm/s~10mm/s。

18、进一步地，所述步骤s4中梯度升温干燥具体包括：

19、在温度为60℃~80℃的条件下干燥4h~6h，用于去除大部分溶剂；

20、在温度为100℃~150℃、真空度≤10pa的条件下干燥8h~18h，用于去除残留溶剂，得到表面平整、无气泡的半成品负极极片；

21、在干燥过程中，温度升温速率控制在5℃/min~10℃/min。

22、进一步地，所述步骤s5中压片处理的压力为0.5mpa~5mpa，压片时间为10min~30min，压片后所述复合修饰层的孔隙率控制在10%~50%。

23、进一步地，所述有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中的一种或多种。

24、一种氢化硼烯/pvdf复合锂金属电池负极，由上述制备方法制备而成，所述负极包括锂金属基底以及涂覆于所述锂金属基底表面的复合修饰层，所述复合修饰层的厚度为1μm~20μm，孔隙率为10%~50%，孔隙尺寸为50nm~500nm。

25、进一步地，所述复合修饰层由氢化硼烯、pvdf以及导电添加剂复合而成，所述氢化硼烯的质量百分比为15wt%~25wt%，所述pvdf的质量百分比为72wt%~85wt%，所述导电添加剂的质量百分比为0~3wt%，所述导电添加剂为导电炭黑或碳纳米管中的一种。

26、一种根据制备方法制备得到的氢化硼烯/pvdf复合锂金属电池负极在锂金属电池领域中的应用，用于抑制锂金属电池充放电过程中锂枝晶生长、缓解锂金属体积膨胀，稳定固体电解质界面膜。

27、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

28、1、本发明利用氢化硼烯的亲锂性和均匀成核位点，引导锂金属均匀沉积，从根源上抑制枝晶生长，同时利用pvdf原位生成lif稳定sei膜，并利用其高介电性降低枝晶尖端电荷，且氢化硼烯的高机械强度可增强复合修饰层的抗刺穿能力，抵御锂枝晶的机械破坏，pvdf的柔韧性可缓冲体积膨胀，减少界面开裂，将两者协同作用，抑制效果优于单一材料及现有复合体系，实现了界面刚性与柔性的平衡；

29、2、本发明的制备方法采用常规的涂覆、干燥工艺，无需复杂的设备与苛刻的反应条件，原料均可通过工业化生产获得，且pvdf作为锂电领域成熟材料，国产化率较高，可降低原料成本，整个制备过程可规模化生产，适合产业化应用。