(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211121767.0 (22)申请日 2022.09.15 (71)申请人 大连大学 地址 116622 辽宁省大连市经济技 术开发 区学府大街10号 (72)发明人 那兆霖　李琳　刘旭东　惠宇　 王兴安　 (74)专利代理 机构 大连智高专利事务所(特殊 普通合伙) 2123 5 专利代理师 胡景波 (51)Int.Cl. H01M 4/36(2006.01) H01M 4/38(2006.01) H01M 4/583(2010.01) H01M 4/1395(2010.01)H01M 4/1393(2010.01) H01M 4/133(2010.01) H01M 4/134(2010.01) H01M 10/052(2010.01) B82Y 30/00(2011.01) B82Y 40/00(2011.01) (54)发明名称 一种复合锂金属负极及其制备方法 (57)摘要 本发明属于锂 金属电池的领域， 公开了一种 复合锂金属负极及其制备方法。 所述制备方法包 括： 采用气相热处理氧化法， 在氩气惰性气氛中 对原始碳布进行亲水处理； 然后利用浸泡法将硝 酸铋沉积在亲水碳布上， 在碳布表 面得到纳米尺 寸的硝酸铋涂层； 接着在氩气气氛下进行高温煅 烧， 将硝酸铋转化成高密度的铋纳米颗粒， 并均 匀地半嵌入在碳布中， 形成铋纳米球 半嵌入型碳 布的复合材料； 将所述复合材料与加热熔融的锂 金属复合， 获得自支撑的复合锂金属负极。 本发 明在对抑制锂枝晶的生长和优化锂金属电池电 化学性能方面具有协同促进作用。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115513427 A 2022.12.23 CN 115513427 A 1.一种复合锂金属负极材料， 其特征在于， 以碳布为基底层， 铋纳米球半嵌入碳布的复 合结构。 2.一种复合锂金属负极， 其特 征在于， 以权利要求1所述的负极材 料制备而成。 3.一种复合锂金属负极的制备 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 原始碳布的亲水性处理， 采用气相热处理氧化法， 在氩气惰性气氛中对原始碳 布进行亲水处理； 步骤2、 铋纳米球半嵌入碳布复合材料的制备， 在氩气气氛下进行高温煅烧， 将硝酸铋 转化成高密度的铋纳米颗粒， 并均匀 地半嵌入在碳布中， 形成铋纳米球半嵌入型碳布的复 合材料； 步骤3、 复合锂金属负极的制备， 将步骤2所述的复合材料与加热熔融的锂金属复合， 获 得自支撑的复合锂金属负极。 4.如权利要求3所述的一种 复合锂金属负极的制备方法， 其特征在于， 所述的步骤1具 体过程为： 裁取面积为4 ×4cm的原始 碳布， 在氩气的惰性气氛的管式炉中以5℃/min升温速 率加热到500℃， 然后煅烧5 ‑10h， 将煅烧后的碳布用超纯水冲洗3次， 将冲洗后的碳布转移 至60℃的真空干燥箱中干燥3 ‑5h。 5.如权利要求3所述的一种 复合锂金属负极的制备方法， 其特征在于， 所述的步骤2具 体过程为： 将 500‑800mg硝酸铋剧烈搅拌溶解在100 ‑150mL乙二醇溶液中， 将步骤1的亲水性 碳布放入上述溶液中， 超声处理3 ‑5h， 超声完成后， 将碳布 转移至60℃的真空干燥箱中干燥 过夜， 将干燥好的碳布转移到高温管式炉中， 在氩气气氛下先以5 ‑10℃/min的加热速率加 热至200‑300℃， 在此温度下保温3 ‑5h， 然后再以相同的升温速率加热到500 ‑700℃， 在此温 度下保温3 ‑5h， 待高温管式炉冷却后， 取出反应完成的样品， 用0.5 ‑1.5mol/L的盐酸溶液和 超纯水各洗涤3次。 6.如权利要求3所述的一种 复合锂金属负极的制备方法， 其特征在于， 所述的步骤3具 体过程为： 将步骤2的复合材料浸泡在高温加热到180℃的熔融锂中， 熔融状态的金属锂被 逐渐灌入结构内部， 5 0‑100s后覆盖整个碳布骨架， 得到复合锂金属负极。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115513427 A 2一种复合锂金属负极及其制备方 法 技术领域 [0001]本发明属于锂金属电池的技术领域， 涉及一种复合锂金属负极及其制 备方法， 具 体涉及一种铋纳米 球半嵌入碳布的复合材 料及其制备 方法。 背景技术 [0002]随着电网储能和新能源汽车等新兴产业的快速发展， 开发高能量密度的储能系统 已经成为发展的必然趋势。 然而， 现在体系 下商业普遍应用的锂离子电池的负极材料主要 是理论容量偏低的石墨(理论比容 量372mAh g‑1)， 越来越 难以满足新能源产业的需求。 [0003]与传统的石墨阳极相比， 锂金属因其超 高的理论容量(3860mAh  g‑1)、 极低的氧化 还原电位( ‑3.04V vs标准氢电极)和极小的质量密度(0.59g  cm‑3)而被认为是高能密度可 充电电池理想的阳极材 料。 [0004]不幸地是， 锂金属负极因为自身的高反应 活性、 不稳定的固态电解质界面膜、 严重 的枝晶生长和无限的体积变化等问题而存在着安全隐患。 所以， 提高锂金属负极的安全性 和稳定性是其大规模应用的必经之路。 以往的改善锂金属电池稳定性的研究有： 开发稳定 SEI的电解质添加剂或者设计稳定的人工SEI、 设计固态电解质 、 使用三维骨架结构限制 锂 负极的体积变化等。 在上述策略中， 三维基体的骨架可以为复合负极提供支撑来缓解锂在 充放电过程中的体积 变化， 同时三维集流体的大比表面积能够降低局部电流密度抑制锂枝 晶的形成， 具有广阔的应用前 景。 [0005]因此， 研究者们通常会选择具有三维结构的材料来引导锂进入空间内部， 进而形 成复合的锂金属负极。 商业化的碳布是一种优异的选择， 因为其生产成本较低， 是由大量的 碳纤维有序编织而成的， 可以批量生产。 除此之外， 碳质基材拥有较好的导电性， 极高的比 表面积。 以上这些优点 都支持将其运用于一体化锂 金属负极的三 维基底。 但是， 现有的商业 碳布不能将熔融的金属锂灌入其中， 表面的 “疏锂”性导致其不能直接应用于锂 金属电池电 极基底。 发明内容 [0006]本发明针对上述问题提出了一种复合锂金属负极及其制备方法， 在铋纳 米球半嵌 入碳布的复合材料中： 金属铋的引入可以增强碳布的亲锂性， 引导熔融状态的锂流入三维 结构的碳布中； 铋单质还可以和锂反应形成合金， 能够降低锂的成核势 垒； 半嵌入的方式可 以提高复合电极的机械稳定性； 三维柔性碳布的基底可以缓冲锂在沉积和剥离过程中的体 积变化， 这些在对抑制锂枝晶的生长和优化锂金属电池电化学性能方面有着协同促进作 用。 [0007]本发明的技 术方案如下： [0008]一种复合锂金属负极材 料， 以碳布为基底层， 铋纳米 球半嵌入碳布的复合结构。 [0009]一种复合锂金属负极， 以上述负极材 料制备而成。 [0010]一种复合锂金属负极的制备 方法， 包括以下步骤：说　明　书 1/4 页 3 CN 115513427 A 3