本發(fā)明屬于金屬鋰加工領域，尤其涉及一種復合鋰帶及其制備方法。

背景技術：

1、金屬鋰作為一種具有未來應用價值的負極材料，一直受到人們的關注。金屬鋰具有很高的比容量(3860mah/g)和較低的電化學電勢(vs氫標準電極)，因此，金屬鋰非常適合制備高容量和較高輸出電壓的電池體系。但是金屬鋰作為負極材料，在循環(huán)過程中，由于金屬鋰沉積為(110)晶面取向，金屬鋰沉積會生成大量枝晶，這是金屬鋰疏松沉積的主要原因。金屬鋰的疏松沉積，增大了金屬鋰與電解液的接觸面積，使活性金屬鋰消耗巨大，導致電池容量衰減迅速。

2、研究表明，向材料中加入成核位點，引導金屬鋰的沉積，可有效減少金屬鋰枝晶的生成，進而延長電池的循環(huán)壽命。三星研究院向炭黑中添加納米銀顆粒作為成核位點，極大的提高了電池的循環(huán)壽命。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)的進行，成核劑發(fā)生位置遷移和聚合，導致其作用大大減弱。

3、由上可知，確有必要開發(fā)一種具有成核位點且成核位點固定的復合鋰帶。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述技術問題，本發(fā)明提供了一種復合鋰帶，該復合鋰帶具有親鋰碳材料，可作為金屬鋰的宿主材料，減小電極循環(huán)過程中體積膨脹；該復合鋰帶中的金屬線成核劑為金屬鋰的沉積提供成核位點，且金屬線成核劑的位置不會隨著循環(huán)的進行而發(fā)生變化，使金屬鋰在材料內(nèi)部均勻成核生長，致密沉積，起到抑制鋰枝晶形成的作用。

2、為達到以上目的，本發(fā)明的一個方面提供一種復合鋰帶，包括：

3、帶狀的多孔支撐骨架，所述多孔支撐骨架包括親鋰碳材料和金屬線成核劑，所述親鋰碳材料包括帶有非晶碳質(zhì)包裹層的晶化碳質(zhì)材料并且相互交織形成所述多孔支撐骨架，所述金屬線成核劑以單分散形式分布并固定在所述非晶碳質(zhì)包裹層內(nèi)或表面上；

4、由所述多孔支撐骨架支撐的金屬鋰基體，所述金屬鋰基體覆蓋所述多孔支撐骨架的表面并且至少部分金屬鋰進入所述多孔支撐骨架的孔隙中，

5、其中，所述金屬線成核劑的直徑在10nm至500nm范圍內(nèi)，長度在100納米至500微米范圍內(nèi)。

6、在一些實施方式中，所述晶化碳質(zhì)材料包括碳納米管、石墨烯、中間相碳微球、軟碳、硬碳、碳纖維、裂解碳、碳質(zhì)有序介孔材料及其他們的組合；所述的晶化碳質(zhì)材料具有線型、球形、海膽型、扁球型或鱗片狀構型。

7、在一些實施方式中，所述非晶碳質(zhì)包裹層包含氧、碳、氮、氟、硅、磷、硼中的至少一種元素，為與晶化碳質(zhì)材料共混的有機材料的炭化產(chǎn)物，所述有機材料選自由有機粘結(jié)劑和交聯(lián)劑組成的組。

8、在一些實施方式中，所述非晶碳質(zhì)包裹層的厚度在2-300nm范圍內(nèi)。

9、在一些實施方式中，所述金屬線成核劑為銀線、金線、銅線、鋁線、鎂線、錫線、鐵線、鈉線、鉛線、鉑線、鈦線、鎢線、鈹線、鋅線、鎳線、銦線、鉬線或它們的組合。

10、在一些實施方式中，所述復合鋰帶的厚度在1-300微米范圍內(nèi)，寬度在10-1000mm范圍內(nèi)。

11、在一些實施方式中，所述金屬鋰的質(zhì)量占比為7％至95％，親鋰碳材料的質(zhì)量占比為4％至85％，金屬線成核劑的質(zhì)量占比為1％至34％。

12、在一些實施方式中，多孔支撐骨架的孔隙率在6％-88％范圍內(nèi)，孔隙大小在10-500nm范圍內(nèi)。

13、本發(fā)明的另一個方面提供一種制備上述復合鋰帶的方法，包括如下步驟：

14、步驟一，將晶化碳質(zhì)材料、有機粘結(jié)劑、交聯(lián)劑與金屬線成核劑均勻分散在溶劑中；

15、步驟二，將分散好的漿料進行干燥處理；

16、步驟三，在惰性氣氛保護下，將干燥后的漿料在400℃至1000℃之間進行高溫處理；

17、步驟四，將高溫處理后的材料與金屬鋰復合得到復合鋰塊材；

18、步驟五、對復合鋰；塊材進行加工得到復合鋰負極。

19、在一些實施方式中，步驟一中所述溶劑為去離子水、n-甲基吡咯烷酮或其組合。

20、在一些實施方式中，步驟二中所述的干燥處理包括高溫脫水和低溫脫水。

21、在一些實施方式中，步驟四中所述的復合方式為熔融鋰注入、機械糅合、輥壓復合中的至少一種。

22、在一些實施方式中，步驟一中晶化碳質(zhì)材料、有機粘結(jié)劑和交聯(lián)劑的質(zhì)量比為(45-85)：(5-34)：(1-50)。

23、在一些實施方式中，所述有機粘結(jié)劑選自由聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚丁烯苯乙烯、聚苯乙烯、聚羧基纖維素、氰基丙烯酸酯、聚丙烯酸、環(huán)糊精、環(huán)醚衍生物、聚氨酯、甲基丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂、醋酸乙烯基聚合物、聚酰亞胺、有機氟聚合物、有機硅氧烷、聚乙二醇、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、甘油、羥苯乙酯及其衍生物、單糖或多糖類聚合物組成的組，

24、在一些實施方式中，所述交聯(lián)劑選自由過氧化苯乙烯、過氧化苯甲酰、二亞乙基三胺、水合硼酸鈉、纖維素衍生物、異噻唑啉酮組成的組。

25、綜上所述，本發(fā)明的復合鋰負極至少具備以下優(yōu)勢：

26、1、該復合鋰帶具有親鋰碳材料，可作為金屬鋰的宿主材料，減小電極循環(huán)過程中體積膨脹；

27、2、該復合鋰帶中的金屬線成核劑為金屬鋰的沉積提供成核位點，使金屬鋰在材料內(nèi)部均勻成核生長，致密沉積，起到抑制鋰枝晶形成的作用；

28、3、該復合鋰帶中的金屬線成核劑不會隨著循環(huán)的進行而發(fā)生位置變化，復合鋰負極物理和化學性能更穩(wěn)定可靠。

技術特征：

1.一種復合鋰帶，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的復合鋰帶，其特征在于，所述晶化碳質(zhì)材料包括碳納米管、石墨烯、中間相碳微球、軟碳、硬碳、碳纖維、裂解碳、碳質(zhì)有序介孔材料及其他們的組合；所述的晶化碳質(zhì)材料具有線型、球形、海膽型、扁球型或鱗片狀構型。

3.根據(jù)權利要求1所述的復合鋰帶，其特征在于，所述非晶碳質(zhì)包裹層包含氧、碳、氮、氟、硅、磷、硼中的至少一種元素，為與晶化碳質(zhì)材料共混的有機材料的炭化產(chǎn)物，所述有機材料選自由有機粘結(jié)劑和交聯(lián)劑組成的組。

4.根據(jù)權利要求3所述的復合鋰帶，其特征在于，所述非晶碳質(zhì)包裹層的厚度在2-300nm范圍內(nèi)。

5.根據(jù)權利要求1所述的復合鋰帶，其特征在于，所述金屬線成核劑為銀線、金線、銅線、鋁線、鎂線、錫線、鐵線、鈉線、鉛線、鉑線、鈦線、鎢線、鈹線、鋅線、鎳線、銦線、鉬線或它們的組合。

6.根據(jù)權利要求1所述的復合鋰帶，其特征在于，所述復合鋰帶的厚度在1-300微米范圍內(nèi)，寬度在10-1000mm范圍內(nèi)。

7.根據(jù)權利要求1所述的復合鋰帶，其特征在于，所述金屬鋰的質(zhì)量占比為7％至95％，親鋰碳材料的質(zhì)量占比為4％至85％，金屬線成核劑的質(zhì)量占比為1％至34％。

8.一種制備權利要求1-7中任一項所述的復合鋰帶的方法，其特征在于，包括如下步驟：

9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，步驟二中所述的干燥處理包括高溫脫水和低溫脫水。

10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，步驟四中所述的復合方式為熔融鋰注入、機械糅合、輥壓復合中的至少一種。

技術總結(jié)
本發(fā)明提供一種復合鋰帶及其制備方法。復合鋰帶包括多孔支撐骨架和由所述多孔支撐骨架支撐的金屬鋰基體，所述多孔支撐骨架包括親鋰碳材料和金屬線成核劑，親鋰碳材料包括帶有非晶碳質(zhì)包裹層的晶化碳質(zhì)材料并且相互交織形成所述多孔支撐骨架，金屬線成核劑以單分散形式分布并固定在非晶碳質(zhì)包裹層內(nèi)或表面上。該復合鋰帶具有的親鋰碳材料可作為金屬鋰的宿主材料，減緩電極循環(huán)過程中的體積膨脹；該復合鋰帶中的金屬線成核劑為金屬鋰的沉積提供成核位點，使金屬鋰在材料內(nèi)部均勻成核，并形成致密沉積，起到抑制鋰枝晶形成的作用。另外，在電極循環(huán)過程中，金屬線成核劑的位置不會隨著循環(huán)的進行而發(fā)生變化，電極的物理化學性質(zhì)更穩(wěn)定。

技術研發(fā)人員：孔德鈺,陳強,牟瀚波,孫兆勇,郇慶娜,王維宙
受保護的技術使用者：天津中能鋰業(yè)有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21