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LB膜技術製備納米薄膜保護鋰電池極片的方法【發明方案】
來源：合肥工業大學 瀏覽 977 次 發布時間:2024-07-22
目前可以用作鋰負極保護塗層的材料有金屬氧化物、固態電解質、二維材料等。其中二維材料具有原子厚度片狀結構，其具有獨特的電子、光學和機械性能，已經成為了技術應用以及未開發的基礎科學領域中最有潛力的材料，是鋰負極塗層的理想材料。其中六方氮化硼(h-BN)具有層狀結構，易剝離，是一種新興的塗層；其機械強度(0.7TPa)高、絕緣性好，並具有優異的化學惰性，與一般的無機酸堿溶液、氧化劑均不發生反應；h-BN熱穩定性極高，在惰性氣體氛圍中能耐2000℃的高溫而不發生分解，同時也是陶瓷材料中熱導率最高的材料。但是二維材料的單片剝離困難，經濟成本較高，且剝離的二維材料納米片易重新聚合，發生團聚，難以形成單層納米薄膜。
在文獻報道中，研究者通常采用基於真空的濺射技術如原子層沉積技術(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)等方法製備二維材料薄膜。2017年Joseph M.Wofford等人在《Scientific Reports》期刊中發表的A Hybrid MBE-basedGrowth Method forLarge-area Synthesis of Stacked Hexagonal Boron Nitride/Graphene Heterostructures文章中利用高溫等離子體輔助分子束外延技術，實現了高質量h-BN薄膜在C處理的Ni(111)襯底上的直接外延生長，其中高溫泄流室(1850℃)用於提供B元素，N元素則通過使用工作在02sccmN流量和350W功率下的射頻等離子電源產生，生長時間約為5h。之後Ni中的C原子在h-BN/Ni界麵析出，故形成了h-BN/石墨烯異質結。此外2017年TQ.PVuong等人在《2D Materials》期刊中發表的Ultraviolet Emission in HexagonalBoronNitride Grown by High-temperature Molecular Beam Epitaxy同樣通過MBE技術，直接在剝離的石墨上合成了單層或多層h-BN薄膜，還觀察到與h-BN晶格和基底排列均勻目周期為15nm的六邊形莫爾條紋。以上為MBE法製備h-BN薄膜奠定了基礎，拓寬了h-BN大麵積連續生長的道路。2007年YoichiKubota等人在在《Science》期刊中發表的DeepUltraviolet Light-emitting Hexagonal BoronNitride Synthesized at AtmosphericPressure文章中報道了一種使用Ni-Mo基溶劑在大氣壓下合成高質量h-BN晶體的方法，即先將原始的hBN粉末放入坩堝中，然後將金屬溶劑置於粉末上，之後將它們置於爐中升至高溫(1350-1500℃)，保溫12h後降溫，即可以在Ni-Mo金屬和h-BN粉末的接觸麵製得h-BN薄片。
現有二維材料製備薄膜實例中大多是基於真空的濺射技術，例如原子層沉積技術(ALD)、分子層沉積技術(MLD)、磁控濺射以及真空鍍膜等。雖然基於真空濺射技術具有自限性、層層沉積增長的特點，可精密控製原子鍍層的厚度。但是這種濺射技術通常需要大型的專業設備、有限體積的真空腔體、昂貴的靶材，且維護成本較高，無法實現大規模應用。
針對以上問題，本發明使用(Langmuir-Blodgett)LB膜技術製備一種納米薄膜保護鋰電池極片及鋰離子電池。
為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：
一種基於LB膜技術製備鋰電池極片保護層的方法，其包括以下步驟：
(1)將二維材料納米片分散在分散液中，進行超聲處理；
(2)將超聲處理後的處理液進行離心後，取上清液，烘幹得到分層後的二維材料粉末；
(3)在高溫爐中燒結，二維材料表麵氧化造孔；
(4)再加入乙醇水溶液中超聲分散形成混合液，將混合液滴在水麵上，二維材料分子自組裝在水麵上形成二維材料薄膜；
(5)將銅箔置入水中，將二維材料薄膜轉移到銅箔上，烘幹後放入手套箱中備用；
(6)將銅箔上的二維材料薄膜通過輥壓轉移到鋰電池極片上，即在鋰電池極片表麵包覆上保護層。
本發明的關鍵點在於二維材料納米片經處理後在水溶液中進行表麵自助裝成膜，本使用LB膜技術在負極片表麵製備保護層，與現有二維材料製備薄膜實例中大多采用的基於真空的濺射技術(例如原子層沉積技術(ALD)、分子層沉積技術(MLD)、磁控濺射以及真空鍍膜等方法)相比，方法操作簡單，製備環境要求低。
另外，保護層通過物理轉移至鋰電池負極片上，對鋰電池負極片進行包覆形成一層薄膜保護層。即在鋰金屬電池中，構建一層鋰負極保護層，來阻擋在沉積/剝離過程中由於鋰離子通量不均勻而引起的枝晶，並將電解液和電極分離開，減少電解液的還原消耗。最終達到提高電池循環壽命和安全性的目的。
本發明使用LB膜技術製備一種納米薄膜保護層來保護鋰電池極片，常壓下，二維材料納米片在水溶液表麵自助裝成致密單層二維材料納米片薄膜，一步成形塗覆金屬鋰負極，形成薄且熱穩定性好的保護層。從而在抑製鋰枝晶生長的同時，還能提高電池內部的熱傳導，防止局部過熱，從而提高鋰金屬電池的循環壽命和安全性。