LiZn/LiAlO2/Li2O构象调控的三维锂负极及其制备方法

本发明属于储能材料设计，涉及lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极。本发明还涉及lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池已在手机、电脑和无人机等电子设备和新能源电动汽车领域广泛应用。然而商业化锂离子电池的能量密度已不能满电动汽车对续航能力的要求。目前采用的石墨负极的理论容量只有372mah g-1，因而要提升电池的能量密度，采用具有更高容量的负极材料是一种重要手段。锂金属的理论容量为3860mah/g，此外，其电极电势仅为-3.04v，是一种理想的锂离子电池负极材料。但由于锂金属十分活泼，在使用过程中不仅会与电解液发生副反应，更严重的是会形成锂枝晶，可能刺穿隔膜进而引发短路甚至爆炸，主要原因则是锂离子在锂金属表面的无宿主和不均匀沉积。三维功能化锂负极设计是抑制锂枝晶生长的有效策略之一。

2、以碳布为代表的三维柔性碳基体，不仅具有良好的导电性和机械性能，而且可提供较大的比表面积。然而碳基体的疏锂特性导致锂离子不易在其表面吸附和均匀沉积，因而需要在其表面构筑均一的亲锂膜层以提升其亲锂性。ag、zn和sn等单功能亲锂位点可在一定程度调控锂的均一沉积，但功能有限。当表面出现锂团簇或电子聚集区域时，依然会发生导致锂的团聚沉积甚至枝晶生长。lizn/li2o构象衍生的化学限域可有效调控锂离子的均匀沉积和分解锂团簇，极大地抑制锂枝晶形成。lizn/li2o构象中li2o的亲锂性较好，而lizn的亲锂性较差，这种差异有利于锂的分步和均匀沉积，但同时也会导致锂离子沉积/剥离的过电势受其中‘短板’的影响较大。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极，解决lizn/li2o构象中两相的亲锂性差异所导致的锂离子沉积/剥离过电势较大的问题。

2、本发明的另一个目的是提供lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法。

3、本发明所采用的第一个技术方案是，lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极，包括亲锂性li2o、lialo2调节相和lizn导电网络，且金属锂均匀分布于lizn/lialo2/li2o修饰的碳纤维表面。

4、本发明所采用的的第二个技术方案是，lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法，通过原子层沉积技术制备zno和al2o3圈数比例不同的al2o3/nzno复合膜层，将复合膜层与熔融锂进行复合得到lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极。

5、本发明第二个技术方案的特点还在于：

6、其中lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法，具体按以下步骤实施：

7、步骤1，通过原子层沉积技术在活化后的碳布表面制备al2o3/nzno复合膜层；

8、步骤2，将步骤1中制备的al2o3/nzno改性碳布与熔融锂进行复合，得到lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极；

9、其中步骤1中al2o3与zno两种膜层交替沉积的圈数比例为1～32；

10、其中步骤1中原子层沉积的条件为：各支路的流量为10sccm；沉积温度为100℃～250℃；前驱体三甲基铝的开瓶时间为0.1～1.0s；前驱体二乙基锌的开瓶时间为0.05～0.8s；前驱体水开瓶时间为0.05～0.5s；吹扫时间均为20～120s，总沉积圈数为100～600圈；

11、其中步骤2具体过程为：在手套箱中将金属锂于180～450℃之间加热变为熔融的液态，将步骤1获得的al2o3/nzno(n≥1)膜层修饰的碳布一端与熔融态的锂接触，保持5～50s待部分熔融锂载入碳布后取出，降至室温后存于手套箱中。

12、本发明的有益效果是：

13、本发明的lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极，是通过原子层沉积精确制备具有原子比例不同al2o3/nzno(n≥1)膜层，进一步利用熔融锂与al2o3/nzno膜层之间的化学转化，原位构筑纳米尺度均匀交替分布的li2o、lialo2和lizn多相结构，该多项结构可有效调控锂离子的分级定向和均匀沉积；同时，基于lizn/lialo2/li2o构象改性的碳布基体可促进熔融锂的负载，得到结构致密且分布均匀的三维锂负极，此结构功能一体化的自支撑锂负极有利于商业化应用。

技术特征：

1.lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极，其特征在于，包括亲锂性li2o、lialo2调节相和lizn导电网络，且金属锂均匀分布于lizn/lialo2/li2o修饰的碳纤维表面。

2.lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法，其特征在于，通过原子层沉积技术制备zno和al2o3圈数比例不同的al2o3/nzno复合膜层，将复合膜层与熔融锂进行复合得到lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极。

3.根据权利要求2所述的lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

4.根据权利要求3所述的lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法，其特征在于，所述步骤1中al2o3与zno两种膜层交替沉积的圈数比例为1～32。

5.根据权利要求3所述的lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法，其特征在于，所述步骤1中原子层沉积的条件为：各支路的流量为10sccm；沉积温度为100℃～250℃；前驱体三甲基铝的开瓶时间为0.1～1.0s；前驱体二乙基锌的开瓶时间为0.05～0.8s；前驱体水开瓶时间为0.05～0.5s；吹扫时间均为20～120s，总沉积圈数为100～600圈。

6.根据权利要求3所述的lizn/lialo2/li2o构象调控的三维锂负极的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体过程为：在手套箱中将金属锂于180～450℃之间加热变为熔融的液态，将步骤1获得的al2o3/nzno(n≥1)膜层修饰的碳布一端与熔融态的锂接触，保持5～50s待部分熔融锂载入碳布后取出，降至室温后存于手套箱中。

技术总结
本发明公开了LiZn/LiAlO<subgt;2</subgt;/Li<subgt;2</subgt;O构象调控的三维锂负极，包括亲锂性Li<subgt;2</subgt;O、LiAlO<subgt;2</subgt;调节相和LiZn导电网络，且金属锂均匀分布于LiZn/LiAlO<subgt;2</subgt;/Li<subgt;2</subgt;O修饰的碳纤维表面，本发明还公开了该负极的制备方法，通过原子层沉积技术制备ZnO和Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;圈数比例不同的Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;/nZnO复合膜层，将复合膜层与熔融锂进行复合得到LiZn/LiAlO<subgt;2</subgt;/Li<subgt;2</subgt;O构象调控的三维锂负极；所构建的三维复合锂负极的微结构致密，金属锂分布均匀，制备方法简单易行，可实现大尺寸电极的制备。

技术研发人员：李喜飞,钱华明,王晶晶,陈秦川,白萌昕,李文斌
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9