新型锂金属负极修饰结构：提升电池循环稳定性和安全性的创新方案

新型锂金属负极修饰结构：提升电池循环稳定性和安全性的创新方案

锂金属电池因其高能量密度和低电位而备受关注，但其在实际应用中仍面临诸多挑战，如锂枝晶生长、SEI膜不稳定等问题。针对这些问题，本发明提出了一种新型的锂金属负极用修饰结构，通过引入亲锂酰胺酸修饰层，有效提升了锂金属电池的循环稳定性和安全性。

本发明属于新能源领域，具体涉及一种锂金属负极用修饰结构、锂金属负极及其制备方法和应用。

背景技术

锂金属因其较高的理论容量（可达3860mAh/g）和较低的标准氧化还原电位（-3.040V）被认为是最理想的负极材料之一。然而，锂金属电池在实际应用中存在诸多问题，如：

• 在沉积过程中电流分布不均，易导致锂枝晶无序生长
• 易与电解液发生不可逆的副反应，形成较厚的固态电解质界面（SEI）膜
• 反复沉积和剥离过程会导致电池体积膨胀、内阻增大，从而缩短电池寿命并增加安全隐患

目前，解决上述问题的主要策略包括构建人工固体电解质界面、集流体改性、隔膜改进和电解质添加剂等。但现有的人工固体电解质界面仍存在热力学稳定性不足、导电率较低等问题。

技术实现思路

本发明提供了一种新型的锂金属负极用修饰结构，其核心是亲锂酰胺酸修饰层。该修饰层由聚合物、酰胺酸和亲锂材料组成，其中：

• 酰胺酸：能够在电池首次充电后原位形成具有高热力学稳定性、高Li+电导率和抑制锂枝晶生长的Li3N
• 亲锂材料：能够在充放电过程中形成亲锂位点，提高锂扩散率，确保负极表面均匀的界面接触和良好的润湿性
• 聚合物：用于提高修饰层的杨氏模量，形成稳定的结构以抵御锂金属负极在充放电过程中的体积膨胀

通过优化各组分的比例和制备工艺，本发明实现了以下技术效果：

1. 修饰层具有良好的化学稳定性，不易受到水解、氧化等反应的影响
2. 能够促进离子传输并保护锂金属表面
3. 提高锂扩散率，确保负极均匀的界面接触和良好的润湿性
4. 显著提升锂金属电池的循环稳定性和安全性

具体实施方式

原料组成

• 聚合物：包括PET、PAN、PEEK、PMMA、PVDF、PEO、PVP、PHA、纤维素等，重均分子量在200000以上
• 酰胺酸：包括天冬氨酰胺、丙氨酰胺、苯丙氨酰胺等
• 亲锂材料：包括金、银、锑等金属单质，锂铝合金等合金，氧化石墨烯等碳材料，氧化锌等金属氧化物，尺寸为10～100nm
• 有机溶剂：包括TFA、DMF、DMA等

制备方法

1. 前驱体溶液制备：在惰性气氛条件下，将聚合物、酰胺酸、亲锂材料与有机溶剂混合并搅拌12～24小时，搅拌速度为400～1000rpm/min
2. 修饰层制备：将前驱体溶液涂覆在基底表面（如铜箔、铝箔等）并干燥，或采用静电纺丝工艺形成修饰层
3. 与锂金属结合：通过机械辊压、注入熔融金属锂、电化学沉积等方式将修饰层与锂金属结合

应用效果

采用本发明的修饰结构制备的锂金属电池具有以下优势：

• 良好的循环稳定性
• 较高的能量密度和库伦效率
• 较低的阻抗

本发明为解决锂金属电池的关键技术难题提供了新的思路和方案，具有重要的应用前景。