基于非宿主精密构型的锂金属负极及其制备方法与应用与流程

本发明涉及锂电池负极材料，具体涉及基于非宿主精密构型的锂金属负极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、锂金属因具有极高的理论比容量、极低的电极电势等优势，被视为下一代高能量密度锂电池的理想负极材料，可有效突破传统石墨负极电池的能量密度瓶颈，在新能源动力电池、储能电池等领域具备广阔应用前景。但锂金属负极在充放电循环过程中存在剧烈的体积膨胀效应，同时极易诱发锂枝晶无序生长，不仅会大幅降低电池循环寿命、降低电池容量，还可能刺穿隔膜引发电池短路、热失控等安全隐患，严重制约了锂金属电池的产业化应用。

2、目前，提升锂金属负极循环稳定性与结构稳定性的主流研究均遵循宿主策略技术范式，核心思路为预先构建三维多孔导电骨架作为功能宿主，再通过熔融注入、电化学沉积等方式将锂金属复合于骨架内部，制备锂金属复合负极。现有常用宿主材料主要包括泡沫铜、泡沫镍、石墨烯气凝胶等，同时普遍搭配亲锂涂层表面修饰工艺优化电极界面性能。

3、该传统宿主策略可在一定程度上利用多孔骨架的空隙空间容纳锂金属沉积/剥离过程中的体积形变，依托三维导电网络均匀电极内部离子流场，有效抑制锂枝晶无序生长，缓解电池整体体积膨胀问题。但该技术方案存在根本性缺陷：其一，引入的三维宿主骨架、修饰涂层均为不贡献电池容量的惰性材料，会产生大量“死重”，显著降低电池整体能量密度；其二，外源宿主材料与锂金属之间会形成大量复杂异质界面，增加界面阻抗，影响电池电化学动力学性能；其三，复合改性工艺流程繁琐、制备成本高，与现有电池规模化生产工艺兼容性差。

4、因此现有宿主改性技术始终依赖“引入外物、复合改性”的传统思路，无法兼顾锂金属电池对低体积膨胀、高能量密度的双重核心需求。

技术实现思路

1、本发明意在提供基于非宿主精密构型的锂金属负极及其制备方法与应用，以解决现有锂金属负极宿主改性技术存在“死重”大、能量密度低的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：基于非宿主精密构型的锂金属负极，包括：

3、锂金属负极本体，其内部构建有若干呈正六边形的孔洞，若干孔洞等间距均匀排布，孔洞的边长为40~100μm，相邻两个孔洞之间的中心距为80~140μm，孔洞深度为20~30μm，锂金属负极本体厚度为50~70μm。

4、优选的，作为一种改进，所述孔洞的边长为60μm，相邻两个孔洞之间的中心距为100μm，孔洞深度为25μm，锂金属负极本体厚度为60μm。

5、基于非宿主精密构型的锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：

6、s1,根据锂金属负极本体的目标孔洞结构和布局设计并加工出具有正六边形凸起的压印模具；

7、s2，在湿度≤2%的环境中，将锂金属负极平铺于温控底座上，温控底座温度为25℃±2℃，将压印模具对准锂金属负极表面放置，对压印模具施加40~80mpa的垂直恒定压力，保压20~60s；

8、s3，保压结束后，保持印压模具施加压力不变，将温控底座加热升温至55℃±2℃并保持10秒，随后卸载压力并垂直提升印压模具，即得到具有孔洞呈正六边形均匀排布的三维多孔锂金属负极。

9、优选的，作为一种改进，步骤s1中的压印模具采用聚四氟乙烯材质制成的压印模具。

10、优选的，作为一种改进，步骤s2中对压印模具施加60mpa的垂直恒定压力，保压30s。

11、基于非宿主精密构型的锂金属负极与高镍三元正极材料搭配应用于软包电池组装。

12、本方案与现有技术相比有益效果是：

13、1、本发明通过压印模具设计与压印工艺的协同优化，在锂金属内部构建出规整的六边形孔洞阵列，摒弃了传统技术采用泡沫铜、泡沫镍、石墨烯气凝胶等宿主材料的应用，从而避免了这类材料直接带来的系列问题。

14、本发明基于非宿主精密构型的锂金属负极与高镍三元正极搭配组装成软包电池，使电池兼具高能量密度与低循环膨胀力的双重优势，可有效抑制异质界面问题及解决“死重”带来的能量密度降低问题。

15、2、本发明非宿主精密构型的锂金属负极的制备流程简单，本方案中孔洞的形态和排布构成蜂窝构型，在二维平面上具有最高的堆积密度和最小的结构各向异性，使孔洞阵列在承受锂沉积产生的内应力时，应力沿六边形的三条主轴方向均匀分散，避免了现有的正方形孔洞在角部（90°直角）处的应力集中问题，从根本上提升了孔洞结构在长循环过程中的抗塌陷能力。

16、3、通过本方案中的锂金属负极制备的软包电池，在循环过程中有效的减缓了电池膨胀力的增长速率，从而优化了电池体积膨胀问题。

17、4、本方案中的压印模具，选用聚四氟乙烯（ptfe）材质，ptfe具有极低的表面能（~18.6 mn/m），对锂金属天然具备防粘附特性，压印完成后压印模具与锂金属可直接分离，无需任何辅助脱模手段，有效避免了孔洞边缘的撕裂缺陷。同时，ptfe材质具有一定韧性和机械强度，足以承受反复压印过程中的机械载荷而不发生凸起变形。

18、5、本方案中ptfe的压印模具与锂金属的热膨胀系数存在显著差异。加热至55℃后，ptfe凸起的膨胀量大于锂金属孔洞内壁的膨胀量，使原本紧密接触的压印模具凸起与孔壁之间产生微米级间隙，配合ptfe本身的低表面能特性，压印模具与锂金属间的粘附力大幅降低，可实现无损脱模，孔洞边缘无撕裂、无拉丝，结构完整性极佳。同时，升温过程还可使压印过程中产生的残余应力得到一定程度的释放，有利于提升孔洞在后续循环服役过程中的尺寸稳定性。

1.基于非宿主精密构型的锂金属负极，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于非宿主精密构型的锂金属负极，其特征在于：所述孔洞的边长为60μm，相邻两个孔洞之间的中心距为100μm，孔洞深度为25μm，锂金属负极本体厚度为60μm。

3.根据权利要求1或2所述的基于非宿主精密构型的锂金属负极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于非宿主精密构型的锂金属负极的制备方法，其特征在于：步骤s1中的压印模具采用聚四氟乙烯材质制成的压印模具。

5.根据权利要求4所述的基于非宿主精密构型的锂金属负极的制备方法，其特征在于：步骤s2中对压印模具施加60mpa的垂直恒定压力，保压30s。

6.根据权利要求1或2所述的基于非宿主精密构型的锂金属负极与高镍三元正极材料搭配应用于软包电池组装。