CN108346778A - 一种制备超薄锂金属负极的电化学方法 - Google Patents

一种制备超薄锂金属负极的电化学方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备超薄锂金属负极的方法，属于可充放的高比能二次电池技术领域。该方法的工艺步骤是：首先配制摩尔浓度为0.01‑5.0mol/L的电解质水溶液，之后将铜电极浸入水溶液；清洗浸泡后的铜电极并烘干；以铜电极和锂箔为电极，在非水液态电解液中进行电沉积，即得到厚度为0.1～10微米的超薄锂金属负极。本发明操作方法简单，便于大规模的生产及定量控制；所制备的超薄锂负极的厚度突破现有机械辊压所得的锂箔的厚度，能满足锂金属电池发展的需求；超薄锂的厚度可通过调节电沉积时间和电流密度的方法调整，具有很大的灵活性。

Description

一种制备超薄锂金属负极的电化学方法
技术领域
本发明涉及一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，属于可充放的高比能二次电池技术领域。
背景技术
在能源的生产和有效使用的过程中，储能技术扮演着极其重要的角色，其中可充放的二次电池是最重要的储能技术之一。随着便携式消费电子的快速发展、新能源汽车的大力推广以及智能电网的建设，现有的锂离子电池已经不能满足国家和社会的需求。具有更高比能的、安全的二次电池成为全社会关注的焦点。新的突破需要从材料体系上创新，因此，科学研究人员又重新把目光聚焦在以锂金属为负极的锂金属电池领域。锂金属用作负极具有天然的优势，比如最负的电极电势(-3.040V)、极高的理论容量(3860mAh g-1)。这些特殊的性质使得锂金属电池具有更高的体积能量密度，从而满足日益增长的社会需求。
在锂电池中，受内部有限空间的限制，电池需要在有限的体积内存储更多的能量。因此，电池中的电极、隔膜、集流体和各种配件所占的体积越小，越有利于提高电池的体积及质量能量密度。而在锂金属电池中，负极锂的理论比容量为3860mAh g-1，远远大于正极的比容量(一般为200-400mAh g-1)。即使在考虑负极稍过量的情况下，负极锂的体积，也小于正极活性物质的质量。因此，可通过尽量减小负极锂所占体积，增加正极活性物质来提升电池的体积及质量能量密度。但是受制于机械辊压设备，现有的锂箔的厚度很难小于20微米。所以，开发制备锂箔厚度小于20微米的技术对于提升锂金属电池的能量密度有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，以满足锂金属电池中对于超薄锂金属负极的需求。
本发明的技术方案如下：
一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)配制电解质摩尔浓度为0.01-5.0mol/L的水溶液，并将铜电极浸入水溶液；
2)清洗浸泡后的铜电极并烘干；
3)以铜电极和锂箔为电极，在非水液态电解液中进行电沉积，可得到厚度为0.1-10微米的超薄锂金属负极。
优选地，水溶液中的电解质为硝酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、二草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种。
优选地，所使用的铜电极为铜箔、铜网或泡沫铜。
优选地，所述的非水液态电解液是由六氟磷酸锂和酯类溶剂组成，其中，六氟磷酸锂摩尔浓度为0.1-5.0mol/L，酯类溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的混合物。
本发明相比现有技术，具有如下优点及突出性效果：本发明操作方法简单，便于大规模的生产及定量控制；所制备的超薄锂负极的厚度突破现有机械辊压所得的锂箔的厚度，能满足锂金属电池发展的需求；超薄锂的厚度可通过调节电沉积时间和电流密度的方法调整，具有很大的灵活性。
具体实施方式
本发明提供一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，具体步骤如下：
1)配制电解质摩尔浓度为0.01-5.0mol/L的水溶液，并将铜电极浸入水溶液；
2)清洗浸泡后的铜电极并烘干；
3)以铜电极和锂箔为电极，在非水液态电解液中进行电沉积，可得到厚度为0.1-10微米的超薄锂金属负极。
本发明中水溶液中的电解质为硝酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、二草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种。
本发明所使用的铜电极为铜箔、铜网或泡沫铜。
本发明中使用的电沉积电解液组成为六氟磷酸锂和酯类溶剂，其中，六氟磷酸锂摩尔浓度为0.1-5.0mol/L，酯类溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的混合物。
下面结合实例对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下的实施例。
实施例1：配制摩尔浓度为1.0mol/L的硝酸锂水溶液，并将铜箔浸入其中。清洗浸泡后的铜箔并烘干。以铜箔和锂箔为电极，在含有1.0mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为0.5mAcm-2，沉积时间为1小时。所得锂金属沉积层的厚度为2.5微米。
实施例2：配制摩尔浓度为0.5mol/L的四氟硼酸锂水溶液，并将泡沫铜浸入其中。清洗浸泡后的泡沫铜并烘干。以泡沫铜和锂箔为电极，在含有2.0mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为0.5mAcm-2，沉积时间为2小时。所得锂金属沉积层的厚度为5微米。
实施例3：配制摩尔浓度为2.0mol/L的六氟磷酸锂水溶液，并将铜箔浸入其中。清洗浸泡后的铜箔并烘干。以铜箔和锂箔为电极，在含有3.0mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为1mAcm-2，沉积时间为2小时。所得锂金属沉积层的厚度为10微米。
实施例4：配制摩尔浓度为5.0mol/L的双氟磺酰亚胺锂水溶液，并将泡沫铜浸入其中。清洗浸泡后的泡沫铜并烘干。以泡沫铜和锂箔为电极，在含有0.5mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为2.0mAcm-2，沉积时间为1小时。所得锂金属沉积层的厚度为10微米。
实施例5：配制摩尔浓度为0.01mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂水溶液，并将200目的铜网浸入其中。清洗浸泡后的铜网并烘干。以铜网和锂箔为电极，在含有0.1mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为0.1mAcm-2，沉积时间为0.2小时。所得锂金属沉积层的厚度为0.1微米。
实施例6：配制摩尔浓度为0.1mol/L的六氟磷酸锂水溶液，并将400目的铜网浸入其中。清洗浸泡后的铜网并烘干。以铜网和锂箔为电极，在含有4.0mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为2mAcm-2，沉积时间为1小时。所得锂金属沉积层的厚度为10微米。
实施例7：配制含1.0mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂和1.0mol/L的六氟磷酸锂水溶液，并将铜箔浸入其中。清洗浸泡后的铜箔并烘干。以铜箔和锂箔为电极，在含有1.5mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为5mAcm-2，沉积时间为0.2小时。所得锂金属沉积层的厚度为5微米。
实施例8：配制含2.0mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂和2.0mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂水溶液，并将铜箔浸入其中。清洗浸泡后的铜箔并烘干。以铜箔和锂箔为电极，在含有1.0mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为10mAcm-2，沉积时间为0.2小时。所得锂金属沉积层的厚度为10微米。
实施例9：配制含2.0mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂，2.0mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂和1.0mol/L的六氟磷酸锂水溶液，并将泡沫铜浸入其中。清洗浸泡后的泡沫铜并烘干。以泡沫铜和锂箔为电极，在含有1.0mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为20mAcm-2，沉积时间为0.1小时。所得锂金属沉积层的厚度为10微米。
实施例10：配制含0.05mol/L的六氟磷酸锂水溶液，并将泡沫铜浸入其中。清洗浸泡后的泡沫铜并烘干。以泡沫铜和锂箔为电极，在含有2.0mol/L六氟磷酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为0.2mAcm-2，沉积时间为10小时。所得锂金属沉积层的厚度为10微米。
实施例11：配制含0.025mol/L的六氟磷酸锂水溶液，并将300目铜网浸入其中。清洗浸泡后的铜网并烘干。以铜网和锂箔为电极，在含有2.0mol/L六氟磷酸锂，1.0mol/L硝酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为0.1mAcm-2，沉积时间为0.50小时。所得锂金属沉积层的厚度为0.3微米。
实施例12：配制含0.025mol/L的六氟磷酸锂水溶液，并将铜网浸入其中。清洗浸泡后的铜网并烘干。以铜网和锂箔为电极，在含有1.0mol/L双三氟甲烷磺酰亚胺锂、0.5mol/L硝酸锂的酯类溶剂中进行电沉积，电流密度为0.05mAcm-2，沉积时间为0.30小时。所得锂金属沉积层的厚度为0.12微米。

Claims (4)

1.一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)配制摩尔浓度为0.01-5.0mol/L的电解质水溶液，然后将铜电极浸入水溶液；
2)清洗浸泡后的铜电极并烘干；
3)以铜电极和锂箔为电极，在非水液态电解液中进行电沉积，即得到厚度为0.1～10微米的超薄锂金属负极。
2.按照权利要求1所述的一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，其特征在于，所述的电解质为硝酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种。
3.按照权利要求1所述的一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，其特征在于，所述铜电极为铜箔、铜网或泡沫铜。
4.按照权利要求1所述的一种制备超薄锂金属负极的电化学方法，其特征在于，所述的非水液态电解液是由六氟磷酸锂和酯类溶剂组成，其中，六氟磷酸锂摩尔浓度为0.1-5.0mol/L，酯类溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的混合物。
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