一种复合锂金属负极片、制备方法及应用与流程

本发明涉及锂离子电池，尤其涉及一种复合锂金属负极片、制备方法及应用。

背景技术：

1、锂离子电池是一种可充电电池，它在现代生活中扮演着至关重要的角色，从智能手机、笔记本电脑到电动汽车，锂离子电池几乎无处不在。其核心优势在于高能量密度、较长的循环寿命、快速充电能力和环保性。锂离子电池在充电时，锂离子从电解液中还原并在锂金属负极表面沉积。如果沉积过程不均匀，锂会优先在某些点上沉积，形成锂枝晶。锂枝晶的生长不仅会穿透隔膜导致短路，其自身的形成和增长也会导致锂离子负极体积的局部膨胀。

2、为了提高锂离子电池的电性能和安全性能，抑制锂枝晶技术被广泛研究。抑制锂枝晶的方法，主要是通过控制锂沉积的均匀性来实现。所采取的措施有：在三维结构中填充锂金属，来束缚锂沉积过程时负极的体积膨胀，抑制锂枝晶的产生；或者将金属锂颗粒填充到多孔材料中来改善沉积均匀性，抑制锂枝晶。

3、但是无论是采用三维结构还是多孔材料，都是利用微观物理手段材改变锂金属的分布结构，进而调整锂电池在充放电过程中锂原子的沉积行为。虽然有一定改善，但是仍存在以下问题：(1)所采用的材料结构与锂金属之间界面处沉积均匀性仍然无法保证；(2)未被三维或多孔结构接触到的锂金属区域还是会出现大面积产生锂枝晶现象；(3)上述物理方法都会降低负极片的克容量，从而降低锂离子电池的能量密度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种能够有效改善锂离子电池在充放电过程中产生锂枝晶且不降低克容量的复合锂金属负极片。

2、本发明提供的一种复合锂金属负极片，包括：

3、基材，呈片状，具有正面和反面；

4、锂金属层，覆盖在所述基材的正面和反面；

5、纳米硅层，附着于所述锂金属层之上。

6、所述基材可选用商用电解铜箔，厚度为1-30μm。

7、进一步的，覆盖在所述基材的正面或者反面的所述锂金属层的厚度为10-100μm。优选的所述锂金属层的厚度为10-50μm。

8、进一步的，所述纳米硅层是由硅原子排列形成的非晶硅层；所述纳米硅层的厚度为0.05-100μm。优选的所述纳米硅层的厚度为0.05-30μm。

9、沉积的纳米硅是非晶态的，因此膨胀效应更小。

10、进一步的，所述纳米硅层嵌入所述锂金属层，所述纳米硅层嵌入所述锂金属层的深度为0-10μm；所述纳米硅层中硅颗粒的尺寸为0-50nm。

11、利用超低膨胀效应的非晶纳米硅嵌入锂金属限制锂金属的膨胀，同时锂金属可以增加纳米硅的导电性能。

12、将纳米硅层嵌入锂金属层中，分散在锂金属层中的纳米硅可以抑制锂金属的膨胀效应，减薄极片厚度增加极片能量密度。

13、所述非晶硅未与氢原子结合；所述非晶硅亦可与氢原子结合，氢原子数量为1，2或3。

14、本发明还提供一种复合锂金属负极片的制备方法，包括以下步骤：

15、s1、准备基材，将锂金属分别压延在基材的正面和反两，在基材的正面和反面之上形成锂金属层；

16、s2、在锂金属层的表面通过沉积工艺，沉积形成纳米硅层；

17、s3、将沉积的纳米硅层压延，使其嵌入所述金属层，获得如上文所述的复合锂金属负极片。

18、进一步的，步骤s1中，所述压延为采用辊压设备直接辊压达到目标厚度。

19、进一步的，步骤s2中，所述纳米硅层沉积工艺选自真空蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积技术、等离子增强型化学气相沉积中的其中一种。

20、进一步的，步骤s2中，采用等离子增强型化学气相沉积的方法进行纳米硅层沉积；沉积纳米硅层的工艺温度为100-900℃。优选的150-300℃。

21、进一步的，步骤s3中，沉积纳米硅层的工艺在惰性气体氛围中进行，真空度控制在-80至-120kpa之内，硅烷气体与惰性气体的比例为1-2:2，沉积时间为0.2-2h。

22、本申请还公开一种固态电池，包括如上文所述制备方法获得的复合锂金属负极片、固态电解质膜和正极片组装而成。

23、复合锂金属负极片具有低膨胀，循环性能好特点，同时改善锂离子电池电芯倍率性能，所组装的固态电池安全性能高。

24、所述固态电解质膜选自聚合物类、氧化物类、硫化物类、卤化物中的一种或多种；

25、所述正极片所用的正极材料选自镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂中的一种或者多种。

26、本发明公开的复合锂金属负极片，在锂金属层的表面沉积一层纳米硅，利用硅负极的嵌锂电位高于金属锂负极的嵌锂电位，通过对金属锂负极预嵌硅的方法，避免金属锂负极在充放电过充中锂枝晶的产生；同时锂金属增加了纳米硅的导电性。与那些加入不具有克容量的三维或者多孔材料的锂金属负极相比，由于硅本身具有与锂金属相近的克容量，制成的复合锂金属负极片不会牺牲克容量。

技术特征：

1.一种复合锂金属负极片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种复合锂金属负极片，其特征在于，覆盖在所述基材的正面或者反面的所述锂金属层的厚度为10-100μm。

3.根据权利要求2所述的一种复合锂金属负极片，其特征在于，所述纳米硅层是由硅原子排列形成的非晶硅层；所述纳米硅层的厚度为0.05-100μm。

4.根据权利要求3所述的一种复合锂金属负极片，其特征在于，所述纳米硅层嵌入所述锂金属层，所述纳米硅层嵌入所述锂金属层的深度为0-10μm；所述纳米硅层中硅颗粒的尺寸为0-50nm。

5.一种复合锂金属负极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种复合锂金属负极片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述压延为采用辊压设备直接辊压达到目标厚度。

7.根据权利要求5所述的一种复合锂金属负极片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述纳米硅层沉积工艺选自真空蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积技术、等离子增强型化学气相沉积中的一种。

8.根据权利要7所述的一种复合锂金属负极片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，采用等离子增强型化学气相沉积的方法进行纳米硅层沉积；沉积纳米硅层的工艺温度在100-900℃。

9.根据权利要求8所述的一种复合锂金属负极片的制备方法，其特征在于，步骤s3中，沉积纳米硅层的工艺在惰性气体氛围中进行，真空度控制在-80至-120kpa之内，硅烷气体与惰性气体的比例为1-2:2，沉积时间为0.2-2h。

10.一种固态电池，其特征在于，包括如权利要求6-9任一项所述制备方法获得的复合锂金属负极片、固态电解质膜和正极片组装而成。

技术总结
本发明公开了一种复合锂金属负极片、制备方法及应用，复合锂金属负极片包括基材，呈片状，具有正面和反面；锂金属层，覆盖在所述基材的正面和反面；纳米硅层，附着于所述锂金属层之上。本发明公开的复合锂金属负极片，在锂金属层的表面沉积一层纳米硅，利用硅负极的嵌锂电位高于金属锂负极的嵌锂电位，通过对金属锂负极预嵌硅的方法，避免金属锂负极在充放电过充中锂枝晶的产生；同时锂金属增加了纳米硅的导电性。与那些加入不具有克容量的三维或者多孔材料的锂金属负极相比，由于硅本身具有与锂金属相近的克容量，制成的复合锂金属负极片不会牺牲克容量。

技术研发人员：张瑞,王勇,宋明,向江露
受保护的技术使用者：万向一二三股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/4