一种金属锂电池负极的制备方法与流程

1.本发明涉及锂电池电极材料制备的技术领域，具体涉及一种金属锂电池负极的制备方法。


背景技术：

2.金属锂具有高比容量和低电化学势，是理想的高能量密度负极材料。以金属锂为负极的固态电池取代石墨负极是目前的新趋势，但由于金属锂的枝晶效应导致的安全隐患问题，使得这种处锂装置未能在商业上大放异彩。所谓的枝晶效应是在循环过程中锂枝晶的不可控生长，在理想状态下，金属会均匀的沉积在负极上，但实际上，金属会优先沉积在负极表面尖端凸起的地方，当锂枝晶生长到一定程度时可穿透固态电解质，使电池短路失效。此外，锂枝晶发生缠绕或断裂形成的“死锂”可造成电池容量严重衰减。
3.金属有机框架材料(metal organic frameworks)是由金属离子和有机配体团簇而成的一种多孔结构材料。mof结构的材料具有孔隙率高，比表面积大，热稳定性好，晶体结构有序，密度低的多种优点。
4.目前的负极储锂机制有：负极碳材料和tio2嵌入反应机制；si、se、sn合金化反应机制；过渡金属氧化物或硫化物等置换反应机制。其中负极碳材料的嵌入被开发的最为广泛，但其比容量不足以满足锂电池负极更高的需求和发展，当前合金化反应机制也处于研究热点中。
5.相较于石墨负电极，虽然金属锂具有更高的比容量和循环倍率，但其在循环过程中锂离子和金属锂之间的相变结构转化不稳定，在体积上有一定的变化。其次金属锂具有极高的化学活性会造成副反应的增加，例如在表面形成sei膜。加之相结构的不稳定和体积的变化会使材料之间的空隙缩小，或者造成材料之间的挤压与破坏，目前常见的有锂和sei膜之间的挤压造成sei膜碎裂，锂枝晶发生断裂/粉化形成死锂或穿透隔膜造成短路，以及固态电解质环境中表现更为突出的机械破坏。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是一种金属锂电池负极的制备方法，可以有效缓解现有技术中金属锂结构不稳定和枝晶生长的问题。
7.本发明是通过以下技术方案来实现的：一种金属锂电池负极的制备方法，具体制备步骤如下：
8.s1、以有机配体为5-氨基间苯二甲酸，金属离子中心来源为硝酸铜，混合于n-n二甲基甲酰胺和乙二醇的混合溶液，混合搅拌均匀得到溶液a；
9.s2、将s1制得的溶液a转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，进行水热合成，带溶液冷却后进行清洗和干燥，得到cu-mof材料；
10.s3、将cu-mof材料添加粘结剂pvdf、导电剂super-p制备成有机涂层；
11.s4、制备的有机涂层涂覆与金属锂片后置于55℃的烘干箱内干燥3-4小时，得到金
属锂电极片。
12.作为优选的技术方案，步骤s1制备的前驱体溶液所用有机配体为5-氨基间苯二甲酸，金属离子中心来源为硝酸铜，其余试剂为n-n二甲基甲酰胺、乙二醇和无水乙醇。
13.作为优选的技术方案，步骤s1制备的前驱体溶液所用有机配体为5-氨基间苯二甲酸，金属离子中心来源为硝酸铜，材料的配比为70-80份、20-30份，溶液的ph值控制在3-5。
14.作为优选的技术方案，步骤s2制备的cu-mof材料的反应时间为12-24小时，反应温度为100-150℃。
15.作为优选的技术方案，步骤s3所用粘结剂和导电剂占比分别为2％、1.5％。
16.作为优选的技术方案，步骤s4制备的cu-mof负极材料的干燥时间为3-4小时，干燥温度为50-75℃。
17.本发明的有益效果是：本发明中所用的金属有机框架具有良好的比表面积和均匀较大的孔径分布，增大了金属锂的沉淀空间可以调控锂离子的分布状况，所形成的框架结构可以面对锂负极的体积膨胀，降低负极副反应的发生，从而提高产品的循环性能和安全性能，同时铜可以和锂合金化反应进一步储存锂。
具体实施方式
18.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
19.实施例1
20.本发明的金属锂电池负极的制备方法，包括以下步骤：
21.步骤1、量取0.5g硝酸铜和5-氨基间苯二甲酸0.4g溶于40mldmf和25mleg的混合溶液中在室温下搅拌直至完全融合，控制溶液的ph值保持在3-5之间，作为预处理液；
22.步骤2、将步骤1的预处理液量取35ml，放入50ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中。加热温度为80℃、，反应时间分别为12小时。待反应釜冷却至室温后，分别用dmf和无水乙醇多次清洗样品；
23.步骤3、对金属锂进行表面处理，将20*20cm的金属箔片浸泡于无水乙醇中，刚好没过箔片即可，进行超声处理5min；
24.步骤4、在样品加入质量分数分别为2％、1.5％的粘结剂和导电剂充分混合后涂在金属锂片上。
25.步骤5、接着将样品置于真空干燥箱内，在50℃到75℃下干燥3时。得到金属锂负极。
26.实施例2
27.本发明的金属锂电池负极的制备方法，包括以下步骤：
28.步骤1、量取0.5g硝酸铜和5-氨基间苯二甲酸0.4g溶于40mldmf和25mleg的混合溶液中在室温下搅拌直至完全融合，作为预处理液；
29.步骤2、将步骤1的预处理液量取35ml，放入50ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中。加热温度为80℃、，反应时间分别为12小时。待反应釜冷却至室温后，分别用dmf和无水乙醇多次清洗样品；
30.步骤3、对金属锂进行表面处理，将20*20cm的金属箔片浸泡于无水乙醇中，刚好没
过箔片即可，进行超声处理5min；
31.步骤4、在样品加入质量分数分别为2％、1.5％的粘结剂和导电剂充分混合后涂在金属锂片上。
32.步骤5、接着将样品置于真空干燥箱内，在50℃到75℃下干燥3时。得到金属锂负极。
33.本实施例部分步骤与实施例1相同，不同之处在于没有控制溶液的ph值。
34.实施例3
35.本发明的金属锂电池负极的制备方法，包括以下步骤：
36.步骤1、量取0.5g硝酸铜和5-氨基间苯二甲酸0.4g溶于40mldmf和25mleg的混合溶液中在室温下搅拌直至完全融合，控制溶液的ph值保持在3-5之间，作为预处理液；
37.步骤2、将步骤1的预处理液量取35ml，放入50ml的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中。加热温度为80℃、，反应时间分别为12小时。待反应釜冷却至室温后，分别用dmf和无水乙醇多次清洗样品；
38.步骤3、对金属锂进行表面处理，将20*20cm的金属箔片浸泡于无水乙醇中，刚好没过箔片即可，进行超声处理5min；
39.步骤4、在样品加入质量分数分别为2％、1.5％的粘结剂充分混合后涂在金属锂片上。
40.步骤5、接着将样品置于真空干燥箱内，在50℃到75℃下干燥3时。得到金属锂负极。
41.本实施例部分步骤与实施例1相同，不同之处在于没有添加导电剂。
42.实施例4
43.本实施例部分步骤同实施例一，不同之处在于涂覆完成后厚度分别为20μm和25μm。
44.实验结果：
45.电池组装过程按照本领域熟知的方法即可，所用正极为钴酸锂正极材料。测试条件均在常温常压下进行(25℃)。
46.对锂电池极片进行电化学测试，主要测试其循环时长，具体操作方法为将实施例一、三的电极片分别作为电池的负极，正极采用相同的钴酸锂为原料，在此不详述正极材料的制作方法，作为对比，未采取金属有机框架涂覆的金属锂片作为对照组。实验结果为在电流密度2mah/cm2的条件下，实施例一所述电极片是未涂覆金属锂循环时间的76倍，是实施例三未添加导电剂金属锂的8倍。
47.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。