本發(fā)明涉及鋰電池領(lǐng)域，具體涉及一種金屬鋰負(fù)極。
背景技術(shù)：
：：1、近年來，隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的興起和快速的發(fā)展，人們對于動(dòng)力型電池的需求也越來越大。由于市場上對于動(dòng)力型高能量密度電池需求量較大，傳統(tǒng)的正極材料如磷酸鐵鋰、錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰，搭配傳統(tǒng)的負(fù)極材料如石墨、硅基材料，無法滿足實(shí)際需求，因此需要開發(fā)出新的電池體系。其中，金屬鋰作為下一代極具潛力的高比能負(fù)極材料，被大家廣泛關(guān)注著。2、然而，盡管研究人員做了大量前期基礎(chǔ)性工作，研究了多種金屬鋰的改性方法以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系等問題，但是在實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用中還是無法同時(shí)克服諸如體積效應(yīng)、金屬鋰不均勻沉積、安全性差及循環(huán)穩(wěn)定性差等問題中的兩種及以上，所以現(xiàn)階段很少有電池生產(chǎn)廠家能將金屬鋰直接用作可商用化的負(fù)極材料進(jìn)行使用，這就嚴(yán)重影響了金屬鋰在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的推廣和發(fā)展。3、隨著研究的深入，合金化在一定程度上可解決金屬鋰的上述問題。比如cn109244473a公開了一種鋰合金帶材及其制備方法，該合金帶材內(nèi)部包含混合均勻的金屬鋰單質(zhì)和具有微納米結(jié)構(gòu)的過渡金屬單質(zhì)；過渡金屬為銅、鎳、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鈷和鈮中的至少一種，金屬鋰單質(zhì)填充于具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬單質(zhì)內(nèi)部。該鋰合金帶材的強(qiáng)度和硬度優(yōu)于金屬鋰，但是加入的過渡金屬對金屬鋰親和性差，無法誘導(dǎo)金屬鋰均勻沉積。4、陳冬萍等人采用熔融法制備了一種li-b-zn三元合金（dongping?chen,?piaoqing,?fengcheng?tang,?et.?al,?a?self-supported?hierarchic?3d?double?skeletonhost?for?highly?stable?lithium?metal?batteries,?mater.?today?energy.?(2023)101272.doi:?10.1016/j.mtener.2023.101272），雖然zn的引入提升了親鋰性，但是對金屬鋰在負(fù)極中擴(kuò)散的改善有限，倍率性能較差，無法滿足無人機(jī)市場的需求。5、基于此，如何開發(fā)設(shè)計(jì)一種長循環(huán)、可大倍率充放電的金屬鋰電池用負(fù)極材料，成為目前急需解決的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種金屬鋰負(fù)極及其制備方法和應(yīng)用，同時(shí)解決金屬鋰充放電過程中的不均勻沉積和體積膨脹問題，具有良好的安全性和優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。2、本發(fā)明提供一種金屬鋰負(fù)極，所述金屬鋰負(fù)極包括金屬鋰和分布在所述金屬鋰中的多元合金相，所述多元合金相包括骨架相和功能相，所述骨架相包括元素硼、硅或錫和鋰形成的骨架合金，所述功能相包括元素銦、錫、銀、鎂、硒或鉍中的至少一種和鋰形成的功能合金，其中，當(dāng)所述骨架合金為硼鋰合金時(shí)，所述功能合金為銦、錫、硒或鉍中的至少一種和鋰形成的合金；當(dāng)所述骨架合金為錫鋰合金時(shí)，所述功能合金為銀和鋰形成的合金；當(dāng)所述骨架合金為硅鋰合金時(shí)，所述功能合金為鎂和鋰形成的合金，其中，以所述鋰合金負(fù)極的質(zhì)量為100%計(jì)，所述骨架相的質(zhì)量≤10%且所述功能相的質(zhì)量≤20%。3、本發(fā)明中，采用硼和/或硅和/或錫與鋰形成的合金作為骨架相，在充電過程中既能脫出部分鋰，可作為負(fù)極材料，又能保留合金相的骨架結(jié)構(gòu)，起到穩(wěn)定金屬鋰負(fù)極結(jié)構(gòu)和誘導(dǎo)金屬鋰均勻沉積的雙重作用。另一方面，功能相降低金屬鋰的沉積勢能，且金屬鋰在功能相中的擴(kuò)散較快，能夠快速引導(dǎo)金屬鋰沉積和擴(kuò)散，抑制鋰枝晶的產(chǎn)生和生長，可滿足大倍率充放電的需求。所述骨架相和功能相以特定質(zhì)量含量相互配合，共同調(diào)控金屬鋰的沉積與剝離，提高鋰電池的循環(huán)性能和倍率性能。4、可選地，所述骨架相包括元素硼，所述元素硼可與金屬鋰形成合金，鋰硼合金本身是多孔隙結(jié)構(gòu)，能儲(chǔ)鋰、儲(chǔ)功能相，還能為金屬鋰的體積膨脹提供空間，且在放電過程中脫鋰電勢低于金屬鋰，負(fù)極中金屬鋰優(yōu)先脫出，合金起到穩(wěn)定負(fù)極結(jié)構(gòu)的作用，隨著電勢繼續(xù)升高，合金中的鋰部分緩慢脫出，部分不脫出，殘留的合金既可以作為骨架穩(wěn)定負(fù)極，又緩解金屬鋰的體積膨脹問題。在充電過程中，合金相還能起到調(diào)控金屬鋰沉積的作用。5、可選地，以所述鋰合金負(fù)極的質(zhì)量為100%計(jì)，所述骨架相的質(zhì)量≤10%，例如可以是0.1%、0.5%、1%、2%、3%、5%、8%、9%或10%等，包括但不限于所列點(diǎn)值，所述骨架相的質(zhì)量過低，起到穩(wěn)定負(fù)極結(jié)構(gòu)的效果有限，所述骨架相的質(zhì)量過高，引入非活性物質(zhì)較多，不利于獲得高比能鋰金屬電池，且鋰合金的硬度過高，加工性能變差，優(yōu)選為1-5%。6、可選地，所述功能相包括銦、銀、錫、鉍或硒中的至少一種。所述功能相中元素能夠更好的誘導(dǎo)金屬鋰沉積，且原子半徑較金屬鋰大，金屬鋰擴(kuò)散較快，有利于金屬鋰電池的高倍率充放電。7、可選地，以所述鋰合金負(fù)極的質(zhì)量為100%計(jì)，所述功能相的質(zhì)量≤20%，例如可以是0.1%、0.5%、1%、3%、5%、8%、10%、12%、15%、18%或20%等，包括但不限于所列點(diǎn)值，所述功能相質(zhì)量過低，對金屬鋰的沉積調(diào)控作用有限，所述功能相的質(zhì)量過高，引入非活性物質(zhì)較多，不利于獲得高比能鋰金屬電池，且較難分布均勻，不利于與骨架相的配合，所述優(yōu)選為1-10%。8、可選地，所述骨架相與所述功能相的質(zhì)量比在（0.05-50）:1的范圍內(nèi)，例如可以是0.05:1、0.08:1、0.1:1、0.15:1、0.3:1、0.5:1、1:1、2:1、4:1、5:1、7:1、10:1、15:1、20:1、30:1、40:1或5:1等，包括但不限于所列點(diǎn)值，所述質(zhì)量比過小，骨架相的過少，對負(fù)極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、儲(chǔ)功能相和金屬鋰的均勻沉積調(diào)控作用有限；所述質(zhì)量比過大，骨架相過多，負(fù)極的加工性能劣化，較難做到50μm以下，且負(fù)極的能量密度較低，均不符合高比能電池的實(shí)際要求，優(yōu)選為（0.1-10）:1。9、可選地，鋰合金負(fù)極的厚度為1-100μm，優(yōu)選為5-50μm。10、可選地，金屬鋰負(fù)極可以單獨(dú)使用，也可以覆合在集流體上使用。11、可選地，集流體包括銅箔、打孔銅箔、毛化銅箔、不銹鋼箔、鎳箔或碳材料集流體。12、本發(fā)明還提供如上所述的金屬鋰負(fù)極的制備方法，其包括以下步驟：13、1）將金屬鋰加熱到200~300℃并保溫（例如2小時(shí)）；14、2）加入骨架相合金元素，升溫到400~600℃，保溫一段時(shí)間（例如2小時(shí)）；15、3）加入功能相合金元素，保溫一段時(shí)間（例如4小時(shí)）；16、4）降溫到200~300℃，進(jìn)行澆筑成型；17、5）壓力軋制或者升溫涂布至所需厚度。18、可選地，在氬氣等惰性氣氛下，將鋰錠在200℃以上熔融成液態(tài)鋰，然后加入含骨架相和功能相的物料，根據(jù)物料熔融情況進(jìn)行升溫或不升溫，升溫的溫度以物料均為液態(tài)為宜，進(jìn)行攪拌、充分混合，保溫，然后采用自然降溫或梯度降溫，制成合金材料，最后通過機(jī)械輥壓或涂布等方法，制成鋰合金負(fù)極。19、本發(fā)明還提供包含如上所述的金屬鋰負(fù)極的金屬鋰電池。20、可選地，所述金屬鋰電池包括軟包金屬鋰電池、圓柱金屬鋰電池或扣式金屬鋰電池中的至少一種。所述金屬鋰電池可以是疊片式電池，也可以是卷繞式電池。21、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有以下有益效果：22、（1）本發(fā)明提供的金屬鋰負(fù)極，是特定組成的鋰合金負(fù)極，所述鋰合金負(fù)極中的骨架相，可同時(shí)解決金屬鋰體積膨脹和不均勻沉積的問題，具有良好的循環(huán)性能；所述鋰合金負(fù)極中的功能相，快速引導(dǎo)金屬鋰沉積和擴(kuò)散，抑制鋰枝晶的產(chǎn)生和生長，可滿足大倍率充放電的需求。23、（2）本發(fā)明提供的金屬鋰負(fù)極，是特定組成的鋰合金負(fù)極，所述骨架相具有多孔結(jié)構(gòu)，能儲(chǔ)鋰、儲(chǔ)功能相，起到良好的穩(wěn)定負(fù)極的作用；所述骨架相和功能相相互配合，共同提升金屬鋰電池的循環(huán)性能、倍率性能和安全性。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12