本发明涉及电池极片材料，尤其是涉及一种金属锂材料、控制金属锂晶面取向的方法以及极片和电池。
背景技术：
1、随着科技的快速发展和电子设备、电动汽车等领域的广泛普及，人们对高效、高能量密度的电池需求日益增长。传统的电池技术已无法满足这种日益增长的需求，因此需要开发新型电池技术以满足市场的迫切需求。
2、在这些新型电池中，锂金属电池备受关注，原因在于锂金属电池体系具有更高的能量密度。锂金属的克容量高达3860mah/g(比石墨高了11倍)，氧化还原电位与标准氢电极相比低至-3.04v(意味着放电电压平台更高)，根据计算，如果将电池中的石墨负极替换成锂金属，电池的体积ed收益最高将增加62％，重量ed收益最大可增加45％，这意味在在相同体积、相同重量下，电池可以存储更多的能量，电动车、手机等设备将拥有更长的续航时间。
3、但是，锂金属电池在实际应用中面临诸多挑战，如不实用的倍率性能、不安全的循环状况和有限的循环寿命等。为了解决这些问题，科学界从锂金属材料出发，致力于开发新进的锂金属基体。
4、研究表明，锂离子在锂(110)晶面的表面扩散能垒较低，倾向于生成高维结构而不是一维枝晶。但是现有的商用锂箔通常同时在表面处表现出(110)、(200)和(211)三类晶面，且其中(110)晶面强度低，表面扩散能垒较大，在大电流条件下容易形成一维枝晶，长循环后枝晶的无序生长容易刺破隔膜，造成正负极短路，存在安全风险。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种金属锂材料、控制金属锂晶面取向的方法以及极片和电池。
2、本发明的第一方面，提出了一种金属锂材料，所述金属锂材料的表面具有(110)晶面、(211)晶面和(200)晶面；所述(110)晶面的特征峰强度与所述(211)晶面的特征峰强度的比值大于或等于3，且所述(110)晶面的特征峰强度与所述(200)晶面的特征峰强度的比值大于或等于3。
3、根据本发明实施例的金属锂材料，至少具有以下有益效果：该金属锂材料的表面(110)晶面强度高，具有高暴露(110)晶面，其可应用于锂金属电池，由于锂离子在锂(110)晶面的表面扩散能垒较低，倾向于生成高维结构而不是一维枝晶，进而该金属锂材料应用于锂金属电池后能有效降低在大电流长循环条件下内部短路的风险。
4、在本发明的一些实施方式中，所述金属锂材料的厚度为8μm～350μm；进一步地，金属锂材料的厚度可为10μm～300μm、50μm～250μm、100μm～200μm、60μm～220μm、50μm～150μm、20μm～80μm、50μm～100μm、150μm～300μm等。
5、在本发明的一些实施方式中，所述金属锂材料的密度为0.534g/cm3～0.545g/cm3。
6、传统暴露(110)晶面的方法通常通过累计辊压-粘接次数来实现(8次以上)，具体通过多次辊压以暴露(110)晶面，这种方法在实用上存在弊端：由于锂晶粒的尺寸随着辊压粘接次数的增多而减小，更小的晶粒会导致原子错位发生的空间减小，故在辊压过程中锂金属箔材会逐渐变硬，辊压材料的硬化进一步会严重影响辊的使用寿命；另外，在产业应用中，锂金属不能直接与辊接触，锂金属与辊材会发生合金化，因此在通用的锂辊压工艺中，需要使用pet作为薄膜隔绝锂金属与辊材的接触，进而导致辊压-粘接难以实现工业化。
7、对此，本发明的第二方面，提出了一种控制金属锂晶面取向的方法，包括：在露点低于-40℃条件下，对金属锂箔进行拉伸处理。
8、根据本发明实施例的控制金属锂晶面取向的方法，至少具有以下有益效果：该方法通过对金属锂箔进行拉伸处理可促使金属锂箔暴露(110)晶面取向，具体地，金属锂箔是一种由许多畴组成的多晶材料，商业锂箔在xrd的探测下通常能表现出三类特征峰，分别属于(110)、(200)和(211)三个锂晶面，当金属锂箔受到特定的拉伸外力时，材料自身为了适应外部应力的方向，会发生晶粒旋转、晶界滑动和晶格错位，即晶面变形，而晶面变形倾向于沿着原子排列紧密的晶面发生，从而导致这些平面在特定方向上对齐，进而可促使暴露出更多的(110)晶面。以上方法通过拉伸处理可利于实现金属锂(110)晶面取向，相比于通过辊压-粘接数次暴露金属锂(110)晶面的方法，操作简单，利于实现工业化，并且可避免多次辊压导致辊压材料硬化的问题。
9、其中，露点即露点温度，是指空气中达到相对湿度饱和的温度，也可以理解为水蒸气与水达到平衡状态时的温度。露点温度越小，空气越干燥。由于金属锂箔高度活泼，在对金属锂箔拉伸过程中，水分的存在会对产品的性能和质量产生影响，具体地，锂金属在露点温度过高(如高于-40℃)条件下会发生不可逆的化学反应，反应方程式为：2li+2h2o＝2lioh+h2，该反应剧烈且会释放大量的热，而氢气为易燃气体，极易引发不可控燃烧反应。此外，lioh中的锂没有反应活性，组装电芯后属于“死锂”成分，不但影响沉积过程中锂离子的嵌入与脱出，还会占用一定的体积和重量，降低电芯的能量密度，是不希望存在的成分。因此，锂金属不应在高露点条件下暴露于空气中，进而控制金属锂晶面取向处理(包括拉伸处理)过程中，需要监测和严格控制露点低于-40℃。
10、在本发明的一些实施方式中，所述拉伸处理包括至少两次拉伸，且每次拉伸沿所述金属锂箔的相同方向拉伸。拉伸处理过程中的拉伸次数具体可为3次、5次、6次、8次、10次、11次等。如前所述，通过对金属锂箔施加拉伸力，材料为适应外部应力的方向，会倾向于沿着原子排列紧密的晶面发生晶面变形，从而导致这些平面在特定方向上对齐，暴露出金属锂(110)晶面，而随着相同方向上拉伸次数的增加，对齐度不断增加，可利于形成高暴露的(110)晶面，甚至趋向于形成含单一(110)晶面的金属锂材料。
11、在本发明的一些实施方式中，所述拉伸处理过程中，每次拉伸完成后，先对拉伸后的金属锂箔进行对折，再进行下一次拉伸。其中，对折具体可沿拉伸后的金属锂箔宽面中线对称折叠一下。拉伸是暴露(110)晶面的关键工序，通过对金属锂箔进行多次拉伸，可显著增强锂(110)晶面的峰强，但由于金属锂箔的厚度会随着拉伸工序的进行而变薄，进而通过在相邻两次拉伸工序之间加入对折工序，可将产品控制在一定厚度，保证拉伸材料强度，以防止拉伸导致材料断带，提高拉伸处理的稳定可靠性。
12、在本发明的一些实施方式中，所述拉伸处理过程中，在完成第一次拉伸之后，重复对折和拉伸5～10次，即拉伸处理过程中，拉伸次数可控制在6～11次，拉伸次数增加，可增加晶面对齐度，利于形成单一(110)晶面的金属锂材料。
13、在本发明的一些实施方式中，所述拉伸处理过程中，每次拉伸所施加的拉伸力为2n/cm2～20n/cm2；且/或，每次拉伸的伸长率控制在50％～80％。
14、其中，拉伸处理的拉伸力大小决定了拉伸速度，多晶材料受到外力发生晶面的转变需要应变时间，拉伸速度过快不能形成有序的金属锂纹理演变，而拉伸力过小不会造成金属锂发生延展，通过将拉伸处理所施加的拉伸力控制在2n/cm2～20n/cm2，可有效控制拉伸速度，使金属锂发生晶面转变形成有序的纹理演变。进一步地，拉伸处理所施加的拉伸力可为5n/cm2～20n/cm2、5n/cm2～15n/cm2、6n/cm2～18n/cm2、8n/cm2～16n/cm2、10n/cm2～15n/cm2、6n/cm2～12n/cm2，或者，拉伸处理所施加的拉伸力可为3n/cm2、5n/cm2、7n/cm2、9n/cm2、10n/cm2、12n/cm2、14n/cm2、15n/cm2、17n/cm2、19n/cm2、20n/cm2等。
15、拉伸处理的伸长率主要影响(110)晶面的演变效果，伸长率过大可能造成金属锂断带，若过小则未达到(110)晶面发生演变的最短距离，进而通过将拉伸处理的伸长率控制在50％～80％范围内，可保证金属锂有效发生(110)晶面演变。进一步地，拉伸处理的伸长率可控制在55％～75％、55％～65％、60％～80％、60％～70％、65％～75％，或者，拉伸处理的伸长率可控制为50％、52％、58％、60％、63％、65％、68％、70％、72％、75％、77％、80％等。
16、另外，拉伸处理可通过固定金属锂箔的相对两端进行拉伸，具体可沿金属锂箔的长度方向拉伸，也可沿金属锂箔的宽度方向拉伸。当拉伸处理包括多次拉伸时，需控制每次拉伸沿金属锂箔的相同方向进行。
17、在本发明的一些实施方式中，拉伸处理前后金属锂箔的密度变化为0～2％。拉伸处理本质上是对金属锂箔施加一个外部应力，这种应力会造成晶粒尺寸的减小，更小的晶粒会导致原子错位发生的空间减小，从物化性能来看，材料变硬，密度增加。小晶粒在初始沉积时锂层更致密，体积ed增加。
18、在本发明的一些实施方式中，所述金属锂箔的厚度为20μm～500μm，进一步地，金属锂箔的厚度可为50μm～500μm、50μm～450μm、80μm～400μm、100μm～450μm、150μm～400μm、150μm～350μm、200μm～500μm、250μm～450μm、250μm～350μm、300μm～500μm、300μm～400μm等。
19、在本发明的一些实施方式中，完成所述拉伸处理之后，还包括：采用高分子薄膜对拉伸处理后的金属锂箔进行包覆，再进行辊压处理。由于辊压处理前，通过对金属锂箔进行拉伸处理已可使金属锂箔暴露(110)晶面取向，进而完成拉伸处理之后，仅需一次辊压处理以定型，相比于常规暴露金属锂(110)晶面的方法需通过辊压-粘接数次实现，且每次辊压前都需使用高分子薄膜对压辊进行隔离，该方法操作简单，可大幅减少材料和人力投入，更利于实现工业化，并且可避免传统方法采用多次辊压易造成辊压材料硬化而影响压辊使用寿命的问题。
20、在本发明的一些实施方式中，辊压处理前后所述金属锂箔的厚度变化控制在30％～50％；且/或，完成所述拉伸处理之后，先对拉伸处理后的金属锂箔进行对折，而后采用高分子薄膜对对折后的金属锂箔进行包覆，再进行辊压处理。
21、其中，由于辊压处理工序会对锂金属带产生应力，产生更小的晶体尺寸和晶面转变，因此，在产品成型工艺中，应减小辊压时的厚度变化，使产品尽可能地保持较多的(110)晶面，而过小的厚度变化不能形成平滑的锂金属表面，由此，通过将辊压处理前后金属锂箔的厚度变化控制在30％～50％，可保证成型得到表面光滑的锂金属材料，同时使产品锂金属材料保持较多的(110)晶面。辊压处理前后金属锂箔的厚度变化率进一步可控制在32％～48％、35％～45％、38％～42％、35％～40％、40％～45％、40％～50％，或者，辊压处理前后金属锂箔的厚度变化率可控制为30％、33％、35％、37％、40％、43％、45％、47％、48％、50％等。
22、完成拉伸处理之后，具体可先对拉伸处理后的金属锂箔进行对折以将材料控制在一定厚度，而后采用高分子薄膜对对折后的金属锂箔进行包覆，再进行辊压处理。
23、辊压处理前，先采用高分子薄膜对对折后的金属锂箔进行包覆，以隔绝辊压处理过程金属锂箔与压辊接触，从而避免金属锂箔与辊材直接接触而发生合金化。在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述高分子薄膜选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜或聚酰亚胺薄膜。
24、在本发明的一些实施方式中，控制金属锂晶面取向的方法具体包括以下步骤：
25、s1、在露点低于-40℃条件下，对金属锂箔进行拉伸处理；其中，拉伸处理包括6～11次拉伸，且每次拉伸完成后，先对拉伸后的金属锂箔进行对折，再进行下一次拉伸，即在完成第一次拉伸之后重复对折和拉伸5～10次；每次拉伸所施加的拉伸力为2n/cm2～20n/cm2，每次拉伸的伸长率控制在50％～80％；
26、s2、对拉伸处理后的金属锂箔进行对折，而后采用高分子薄膜对对折后的金属锂箔进行包覆，再进行辊压处理；辊压处理前后所述金属锂箔的厚度变化率控制在30％～50％。
27、而通过以上控制金属锂晶面取向的方法制得的金属锂材料，其表面具有(110)晶面、(211)晶面和(200)晶面；(110)晶面的特征峰强度与(211)晶面的特征峰强度的比值大于或等于3，且(110)晶面的特征峰强度与(200)晶面的特征峰强度的比值大于或等于3，具有高暴露(110)晶面。
28、本发明的第三方面，提出了一种极片，该极片的材质为前述的任一种金属锂材料。该极片具体可通过对前述的金属锂材料进行分割得到。
29、本发明的第四方面，提出了一种电池，该电池包括正极片、负极片和隔膜，隔膜夹设于正极片和负极片之间，正极片和/或负极片采用前述的任一种极片。该电池由于采用了前述任一种极片，可有效降低在大电流长循环条件下内部短路的风险。
1.一种金属锂材料，其特征在于，所述金属锂材料的表面具有(110)晶面、(211)晶面和(200)晶面；所述(110)晶面的特征峰强度与所述(211)晶面的特征峰强度的比值大于或等于3，且所述(110)晶面的特征峰强度与所述(200)晶面的特征峰强度的比值大于或等于3。
2.根据权利要求1所述的金属锂材料，其特征在于，所述金属锂材料的厚度为8μm～350μm；
3.一种控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，包括：在露点低于-40℃条件下，对金属锂箔进行拉伸处理。
4.根据权利要求3所述的控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，所述拉伸处理包括至少两次拉伸，且每次拉伸沿所述金属锂箔的相同方向拉伸。
5.根据权利要求4所述的控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，所述拉伸处理过程中，每次拉伸完成后，先对拉伸后的金属锂箔进行对折，再进行下一次拉伸。
6.根据权利要求5所述的控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，所述拉伸处理过程中，在完成第一次拉伸之后，重复对折和拉伸5～10次。
7.根据权利要求5所述的控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，所述拉伸处理过程中，每次拉伸所施加的拉伸力为2n/cm2～20n/cm2；且/或，每次拉伸的伸长率控制在50％～80％。
8.根据权利要求3所述的控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，所述金属锂箔的厚度为20μm～500μm。
9.根据权利要求3至8任一项所述的控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，完成所述拉伸处理之后，还包括：采用高分子薄膜对拉伸处理后的金属锂箔进行包覆，再进行辊压处理。
10.根据权利要求9所述的控制金属锂晶面取向的方法，其特征在于，辊压处理前后所述金属锂箔的厚度变化率控制在30％～50％；且/或，
11.一种极片，其特征在于，所述极片的材质为权利要求1至2任一项所述的金属锂材料或权利要求3至10任一项所述控制金属锂晶面取向的方法制得的金属锂材料。
12.一种电池，其特征在于，包括正极片、负极片和隔膜，所述隔膜夹设于所述正极片和所述负极片之间，所述正极片和/或所述负极片采用权利要求11所述的极片。
