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本發(fā)明屬于電池材料，尤其涉及一種單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜及其制備方法與應用。
背景技術(shù)：
1、隨著便攜式電子設(shè)備和電動汽車的迅速發(fā)展，鋰離子電池（libs）已無法充分滿足當前的需求。近年來，采用鋰金屬負極和氧化物正極（磷酸鐵鋰lifepo4、鎳鈷錳酸鋰linixcoymnzo2等）的全電池，被視為有望滿足實際高能量密度需求（500kw·h·kg-1）的電池配置方案。為了盡量減少昂貴鋰金屬的使用量，同時節(jié)省電池內(nèi)部有限的空間，必須制備超薄的鋰金屬負極，以確保正負極之間的匹配。然而，這會導致獨立的鋰金屬負極變得更加脆弱。與此同時，純鋰箔在脫鋰和鍍鋰過程中發(fā)生的無限制尺寸變化，也會導致sei膜的破裂和鋰枝晶的生長，進而導致電解液的消耗和隔膜被刺穿。
2、獨立三維導電基體的引入，可以降低整個負極的有效比重量和容量，能夠緩解上述問題。與鋰金屬沉積在三維導電基體（如泡沫銅和泡沫碳）表面相比，獨立三維導電基體能夠在受限空間內(nèi)容納鋰金屬形成超薄層狀基體。雖然提供的表面積有限，但在防止sei膜反復破裂和重新形成等方面更為有效。同時，它無需使用高面積、高密度、大重量的銅集流體來支撐鋰金屬，這有助于提高整個負極的有效比重量和容量。然而，緊密堆積的層狀結(jié)構(gòu)會導致離子從邊緣遷移的距離變長，從而降低了傳質(zhì)效率，這也會降低循環(huán)穩(wěn)定性以及層狀結(jié)構(gòu)中所容納鋰金屬的利用率，所有這些缺點都限制了電池的倍率性能、有效電極容量和循環(huán)次數(shù)。
3、在各種層狀導電基體材料中，氧化石墨烯（go）因重量輕、制備簡單、導電性好且成本低，成為目前的研究熱點。然而，氧化石墨烯上的氧化官能團數(shù)量有限，限制了表面的親鋰性和鋰離子在納米片夾層空間內(nèi)的橫向擴散，所以鋰離子會傾向于在go表面上沉積和剝離，這會導致鋰枝晶的無序生長和死鋰的堆積。此外，在充放電過程中密集堆疊的層狀結(jié)構(gòu)會導致鋰離子遷移的距離較長，遷移效率降低，這也會影響鋰金屬在其內(nèi)部的真正鍍覆和剝離過程。因此，氧化石墨烯負載的鋰金屬負極只能在低電流密度下進行有限次數(shù)的循環(huán)。嵌入氧化石墨烯層中的鋰的利用率也受到限制，并且整個負極的比容量也較低。
4、因此，構(gòu)建一個穩(wěn)定的高孔隙度的三維層狀導電基體材料，充分釋放限制在超薄層狀基體中的鋰金屬的潛力是目前要解決的問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜及其制備方法與應用。本發(fā)明提供的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜在鍍鋰和脫鋰過程中能夠為鋰離子提供豐富的短距離擴散路徑，同時具有良好的親鋰性三維層狀結(jié)構(gòu)，對于進一步提升鋰金屬電池的整體性能和市場競爭力具有重要意義。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：
3、本發(fā)明提供了一種單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，包括以下重量份數(shù)的原料：二維多孔氧化物1份和多孔氧化石墨烯1-10份。
4、技術(shù)原理：本發(fā)明以二維多孔氧化物和多孔氧化石墨烯為原料，由于二維多孔氧化物與多孔氧化石墨烯本身帶負電，在溶液中會相互排斥并交錯堆疊，實現(xiàn)在原子水平上的異質(zhì)組裝，進而形成了二者交替堆疊的復合薄膜，并且由于靜電排斥作用導電框架能夠穩(wěn)定存在。利用二維多孔氧化物的多孔結(jié)構(gòu)和親鋰特性，與多孔氧化石墨烯構(gòu)成了三維多孔互連的導電框架，提供了更豐富的多孔結(jié)構(gòu)和更多的離子傳輸通道，有效提高了鋰離子的遷移能力，使鋰離子可以在內(nèi)部均勻成核，避免了僅在表面成核，還提供了更多的成核位點，降低了局部電流密度，為鋰的儲存提供足夠的空間，從而避免不均勻成核，抑制鋰枝晶的生長。
5、進一步地，所述二維多孔氧化物為多孔鈦鐵氧納米片。
6、進一步地，所述多孔氧化石墨烯為多孔氧化石墨烯納米片。
7、進一步地，所述多孔鈦鐵氧納米片的厚度<1nm，長徑比為500，孔隙率為50%。
8、進一步地，所述多孔鈦鐵氧納米片的制備方法包括以下步驟：將鈦鐵氧納米片溶液加入氫碘酸溶液中進行攪拌反應，然后經(jīng)離心、洗滌和冷凍干燥，得到所述多孔鈦鐵氧納米片。
9、進一步地，所述多孔氧化石墨烯納米片的厚度<1.5nm，長徑比為900，孔隙率為30%。
10、進一步地，所述多孔氧化石墨烯納米片的制備方法包括以下步驟：將氧化石墨烯溶液和h2o2溶液混合，然后經(jīng)油浴加熱和冷凍干燥，得到所述多孔氧化石墨烯納米片。
11、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜的制備方法，包括以下步驟：將二維多孔氧化物和多孔氧化石墨烯分散于溶劑中，得到混合液；將所得混合液涂覆在基板上，經(jīng)干燥處理和熱還原，得到所述單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜。
12、本發(fā)明還提供了一種單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極，制備所述單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極的原料包括上述技術(shù)方案所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜。
13、本發(fā)明還提供上述技術(shù)方案所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極的制備方法，包括：將熔融鋰注入上述技術(shù)方案所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜中，得到所述單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極。
14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果：
15、本發(fā)明提供的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜具有較大的比表面積，提供了大量成核位點，有效降低了電流密度；還具有更豐富的多孔結(jié)構(gòu)使鋰離子可以以較短的距離自由傳輸，同時穩(wěn)固的框架結(jié)構(gòu)還為鋰的沉積提供了足夠的空間，有效抑制了電極尺寸的變化；此外，鋰離子在二維多孔氧化物優(yōu)良親鋰表面的幫助下可以均勻沉積，有效降低了電流密度、抑制了鋰枝晶的生長。
16、本發(fā)明簡化了生產(chǎn)流程，降低了工藝復雜性和對設(shè)備的要求，提高了生產(chǎn)效率并大幅削減了成本，同時實現(xiàn)了多性能的協(xié)同優(yōu)化，還大幅提升了生產(chǎn)效率和鋰金屬電池的綜合性能。本發(fā)明在保證薄膜大規(guī)模、完整制備的同時，實現(xiàn)了超薄化和高效生產(chǎn)，為鋰金屬電池的高能量密度和高安全性提供了有力的技術(shù)支持，具有廣闊的市場應用前景。
1.一種單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，其特征在于，包括以下重量份數(shù)的原料：二維多孔氧化物1份和多孔氧化石墨烯1-10份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，其特征在于，所述二維多孔氧化物為多孔鈦鐵氧納米片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，其特征在于，所述多孔氧化石墨烯為多孔氧化石墨烯納米片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，其特征在于，所述多孔鈦鐵氧納米片的厚度<1nm，長徑比為500，孔隙率為50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，其特征在于，所述多孔鈦鐵氧納米片的制備方法包括以下步驟：將鈦鐵氧納米片溶液加入氫碘酸溶液中進行攪拌反應，然后經(jīng)離心、洗滌和冷凍干燥，得到所述多孔鈦鐵氧納米片。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，其特征在于，所述多孔氧化石墨烯納米片的厚度<1.5nm，長徑比為900，孔隙率為30%。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜，其特征在于，所述多孔氧化石墨烯納米片的制備方法包括以下步驟：將氧化石墨烯溶液和h2o2溶液混合，然后經(jīng)油浴加熱和冷凍干燥，得到所述多孔氧化石墨烯納米片。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：將二維多孔氧化物和多孔氧化石墨烯分散于溶劑中，得到混合液；將所得混合液涂覆在基板上，經(jīng)干燥處理和熱還原，得到所述單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜。
9.一種單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極，其特征在于，制備所述單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極的原料包括權(quán)利要求1-7任一項所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜。
10.如權(quán)利要求9所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極的制備方法，其特征在于，包括：將熔融鋰注入權(quán)利要求1-7任一項所述的單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)復合薄膜中，得到所述單層多孔納米片獨立異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋰金屬陽極。