一种超临界流体包覆装置、具有包覆层的金属锂、电池及制备方法与流程

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种超临界流体包覆装置、具有包覆层的金属锂、电池及制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池以其质轻、能量密度高、功率密度大、寿命长等优点，广泛应用于各个领域。随着对储能需求的不断增长，这些“传统”锂离子电池将达到其能量密度方面的性能极限。锂金属因具有极高的理论比容量(3860mah g-1)、低密度(0.59g cm-3)和低化学电位(相对标准氢电极为-3.04v)被认为是高能量密度可充电电池的理想负极，有望解决锂离子电池能量密度触顶的问题。然而，锂金属负极的化学/电化学不稳定性会使金属锂在充放电循环中产生巨大的体积变化并生成锂枝晶，进而刺穿隔膜，导致电池短路，引发安全问题。研究表明，表面稳定的锂保护层/固体电解质膜(sei膜)有利于改善金属锂的循环稳定性，抑制锂枝晶的生长。开发成本低廉、工艺简单的新技术从而在金属锂表面构建一层稳定的、均匀的保护层仍是一直以来学者们的研究重点。

2、现有技术中有的将复合材料依次加入有机溶剂中，分散后得到保护层浆料；所述保护层浆料涂覆在基底表面，烘干后得到保护层；将所述保护层转移至金属锂负极表面。但是该方法有机溶剂挥发会产生环境污染，且溶剂挥发不完全会导致保护层的锂离子传导性大幅降低，影响电池性能；且锂保护层制备成功后又转移至金属锂表面，说明保护层与金属锂是彼此独立的，这样会导致内部锂离子传输时的内阻增大，且易在锂离子沉积/剥离导致体积反复变化的过程中剥离。

3、现有技术中还有石墨烯包覆保护金属锂微球的，包括如下步骤：s1、将金属锂分散在无活泼氢的惰性溶剂中，形成金属锂微球分散液；s2、将带有表面官能团的石墨烯分散在无活泼氢的惰性溶剂中，形成石墨烯分散液；s3、将步骤s1的金属锂微球分散液和步骤s2的石墨烯分散液混合，充分搅拌处理后，将惰性溶剂过滤分离或挥发干燥，制得石墨烯包覆保护金属锂微球。然而该方法制备分散液时涉及超声、高度剪切搅拌处理，这些技术在规模化生产时可控性较差，此外，该步骤需在惰性溶剂中加热金属锂，存在一定的安全隐患；对于上述s3步骤，搅拌处理不能确保石墨烯包覆层完全、均匀地包覆在金属锂微球表面，且惰性溶剂挥发不完全会影响包覆效果，并造成环境污染。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超临界流体包覆装置包括：

2、气体存储单元，所述气体存储单元用于存储气体；

3、第一高压反应釜，所述第一高压反应釜用于生成超临界流体及进行包覆材料的反应；

4、及第二高压反应釜，所述第二高压反应釜用于放置被包覆材料且进行包覆；

5、其中，所述气体存储单元分别可与所述第一高压反应釜及第二高压反应釜连通，且所述第一高压反应釜可与第二高压反应釜连通。

6、进一步地，所述第一高压反应釜包括材料放置腔、第一转动轴及网状滚筒，所述网状滚筒通过所述第一转动轴在所述第一高压反应釜内，所述材料放置腔设置于所述网状滚筒内，所述第一转动轴转动时可带动所述网状滚筒及材料放置腔转动。

7、进一步地，所述网状滚筒的网孔为500～2500目。

8、进一步地，所述第二高压反应釜包括第二转动轴及载物台，所述第二转动轴与所述载物台连接，在转动时可带动所述载物台转动。

9、进一步地，所述气体存储单元与第二高压反应釜之间连接第一管道阀门；

10、和/或所述第一高压反应釜5与第二高压反应釜12之间分别连接第二管道阀门11。

11、还提供一种包覆锂的制备方法，包括：

12、将气体存储单元中的气体通入放置有包覆材料的第一高压反应釜，所述气体形成进行反应得到超临界流体后溶解所述包覆材料，所述包覆材料进行反应得到包覆混合相；

13、将所述包覆混合相所述超临界流体流入所述放置有锂的第二高压反应釜进行包覆。

14、进一步地，所述包覆材料为有机物与无机物；

15、其中，所述有机物为氟代碳酸乙烯酯、氟代碳酸丙烯酯、氟代甲基丙烯酸酯、氟聚醚甲基丙烯酸酯、磷酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、碳酸亚乙烯酯、乙酸乙烯酯、烯二甲酰亚胺、丙烯腈、丙烯酸酯、甲基膦酸二甲酯中的一种或多种；所述述无机物为含锂、硅、镁、铝、铈或铌的金属盐/非金属盐中的一种或多种；

16、优选地，所述金属盐/非金属盐的形式为氧化物、氟化物、磷酸盐、硅酸盐、硫酸盐、硝酸盐、硼酸盐、氯酸盐中的一种或多种。

17、进一步地，所述气体为co2、co、nh3、cf4中的一种或几种。

18、进一步地，按照质量计，所述有机物为70-95份，有机物为5-30份。

19、进一步地，所述第一高压反应釜中的温度为-150～160℃，压力为51-90mpa，转速为5～800rad/min，所述反应为时间15min-12h。

20、进一步地，所述第二高压反应釜中的包覆条件为：压力为5-70mpa，包覆时间为15min-6h，转速为5～800rad/min。

21、进一步地，所述包覆后还包括：

22、将所述气体存储单元中的气体通入所述第二高压反应釜对所述包覆锂进行干燥。

23、还提供一种具有包覆层的金属锂，由上述的制备方法制备所得。

24、还提供一种金属锂电池，包括上述的具有包覆层的金属锂。

25、本专利的有益效果如下：

26、本发明提供一种成本低、制备简单、可规模化、包覆效果显著(包覆层厚度均匀且无死角地包覆在金属锂负极表面)的超临界流体辅助包覆金属锂的方法，从而在金属锂表面构建一层稳定的、分散均匀的保护层，可有效钝化金属锂，提高锂电池的能量密度。

27、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种超临界流体包覆装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一高压反应釜(5)包括材料放置腔(8)、第一转动轴(9)及网状滚筒(7)，所述网状滚筒(7)通过所述第一转动轴(9)在所述第一高压反应釜(5)内，所述材料放置腔(8)设置于所述网状滚筒(7)内，所述第一转动轴(9)转动时可带动所述网状滚筒(7)及材料放置腔(8)转动；

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体存储单元(1)与第二高压反应釜(12)之间连接第一管道阀门(4)；

4.一种包覆锂的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述包覆材料为有机物与无机物；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，按照质量计，所述有机物为70-95份，无机物为5-30份。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一高压反应釜(5)中的温度为-150～160℃，压力为1-90mpa，转速为5～800rad/min，所述反应为时间15min-12h；

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述包覆后还包括：

9.一种具有包覆层的金属锂，其特征在于，由权利要求4-8任一项所述的制备方法制备所得。

10.一种金属锂电池，其特征在于，包括权利要求9所述的具有包覆层的金属锂。

技术总结
本发明提供了一种超临界流体包覆装置、具有包覆层的金属锂、电池及制备方法，该制备方法包括将气体存储单元中的气体通入放置有包覆材料的第一高压反应釜进行反应得到超临界流体；将所述超临界流体流入所述放置有锂的第二高压反应釜进行包覆。本发明中基于超临界流体包覆法得到的改性金属锂负极表现出优异的界面相容稳定性，能有效抑制锂/钠枝晶生长，应用于全固态电池表现出优异的长循环性能。

技术研发人员：杨帆,杨真
受保护的技术使用者：北京纯锂新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13