权利要求
1.一种
铝锂合金粉末的低温制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 铝箔预处理：提供厚度1-10000μm的铝箔或铝板，依次用极性溶剂和非极性溶剂清洗并干燥;
S2. 电极裁切：将铝箔或铝板裁切成预定形状的铝片，计算所需锂金属质量并裁切匹配的锂片;
S3.
电芯组装：以"铝片-
隔膜-锂片"为单元层叠组装，通过电路连接铝电极和锂电极;
S4. 电芯封装：将电芯置入密闭腔室，注入非水
电解液并密封;
S5.
电化学嵌锂：在-100℃至200℃环境中，通过外电路短路或恒压/恒流放电使锂离子嵌入铝晶格;
S6. 后处理：惰性气氛下拆解电芯，有机溶剂洗涤并干燥得到铝锂合金粉末。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S3中隔膜选自聚烯烃微孔膜、无纺布、陶瓷涂覆隔膜或固态电解质膜。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S4中电解液包含锂盐及非水溶剂，其中锂盐选自LiPF6、LiTFSI、LiFSI、LiBF4、LiClO4中的至少一种;溶剂选自碳酸酯类、醚类、羧酸酯、砜类、离子液体及其混合物。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S5中反应温度为-80℃至200℃，嵌锂终点通过实时监测电压与电流变化判断。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S5采用恒压放电或恒流放电模式，截止电压设定为1-500mV，最大放电电流设置为1C-0.0001C。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述铝锂合金粉末的锂原子占比为0-69.2%，表面形成含氟或含硫的钝化膜。
7.一种铝锂合金粉末，其特征在于，由权利要求1-7任一项方法制备所得，其化学计量式为Al、AlLi、Al2Li3或Al4Li9，或由上述物相组成的混合物。
8.一种电化学嵌锂装置，其特征在于，包括：
层叠设置的铝电极、隔膜和锂电极;
密闭腔室及电解液容纳空间;
外电路连接端口;
温度控制系统。
9.根据权利要求8所述装置，其特征在于，所述密闭腔室为扣式电池壳、
铝塑膜或特种聚合物壳体。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于金属粉末制备技术领域，具体涉及一种通过电化学嵌锂工艺在低温条件下直接制备铝锂合金粉末的方法。
背景技术
[0002]轻质、高强、高能材料的研发与应用对于高端装备制造具有重要意义。在众多候选材料中，铝锂合金因其优异的综合性能而成为近年来的研究热点：一方面，作为先进的轻质结构材料，铝锂合金是实现装备减重增效的关键;另一方面，
铝基材料本身可作为高能材料或电化学
储能活性物质，直接构成能量转化与存储的载体。
[0003]铝锂合金被认为是继传统
铝合金之后最具竞争力的轻质结构材料之一。研究表明，每添加1%的锂，合金密度可降低约3%，弹性模量提高约6%，从而使铝锂合金在实现显著减重的同时，具有更高的比强度与比刚度，在航空航天等对重量敏感的领域具有重要应用价值。在电化学储能领域，铝锂合金因其资源丰富、成本相对较低以及高的理论比容量(可达993mAh/g，远高于石墨负极的372mAh/g)，被视为下一代高能量密度锂离子电池极具潜力的
负极材料。此外，铝锂合金粉末本身也是一种重要的高能金属燃料。
[0004]然而，铝锂合金的制备面临显著挑战，这主要源于锂金属的高化学活性及其与铝熔体的相互作用。一方面，
金属锂极易与氧气、氮气、水蒸气及二氧化碳等发生反应，在熔炼过程中易形成各类氧化产物，造成锂损失和成分偏差;另一方面，铝锂合金的熔炼温度区间通常为330-750℃，在此温度下锂会对多数常见坩埚材料(如传统陶瓷、石墨等)产生严重侵蚀，而与铁质坩埚则易形成合金相，导致锂、铝元素向坩埚扩散或坩埚元素向熔体迁移，引入杂质。目前尚无单一坩埚材料能够同时兼容铝、锂熔体而不发生反应。因此，现有熔铸工艺必须严格控制熔炼时间并采取防护措施，以减少坩埚侵蚀与熔体污染，但这依然难以完全避免成分波动及均匀性问题。
[0005]此外，传统铝锂合金通常先通过熔炼铸造成宏观铸锭，再借助真空雾化、机械破碎(如球磨)等方法将其加工成粉末。该流程存在明显不足：首先，熔炼与后续粉末化过程能耗较高;其次，在多步骤加工中材料不可避免地暴露于气氛环境中，表面易形成致密的氧化膜，严重影响其化学活性与物理性能;最后，工艺链条长，引入的不确定性因素多，导致材料失效风险增大，产品一致性难以保证。
[0006]针对上述问题，本发明提出一种可在低温条件下直接制备铝锂合金粉末的方法。该方法摒弃传统的高温熔铸路线，通过在不超过锂熔点的温度下，对金属铝箔进行电化学嵌锂处理，从而直接获得不同锂含量的铝锂合金粉末。
发明内容
[0007]为了解决背景技术中的技术问题，本发明提出一种铝锂合金粉末的低温制备方法及装置。
[0008]本发明的技术方案如下所述：
[0009]本发明提供了一种铝锂合金粉末的低温制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0010]步骤S1：铝箔预处理
[0011]提供金属铝箔或铝板，其厚度范围为1μm至10000μm。依次使用极性溶剂(如去离子水、乙醇、异丙醇)和非极性溶剂(如石油醚、正己烷)对铝材进行清洗，以彻底去除表面油污、盐渍及其他污染物，随后进行干燥。
[0012]步骤S2：电极裁切与计算
[0013]将清洗干燥后的铝箔或铝板裁切成预定形状的铝片(如圆形、方形)。根据目标铝锂合金的化学计量比或锂含量，计算所需的锂金属质量及对应的面密度。选取满足最低面密度要求的金属锂箔，并将其裁切成与铝片形状匹配、尺寸略大的锂片。
[0014]步骤S3：电芯组装
[0015]将步骤S2得到的铝片、锂片以及可选的隔膜和集流体以“铝片-隔膜-锂片”为基本单元进行依次层叠，组装成叠片式电芯。通过电路将各层铝箔与各层锂箔进行电连接。所述电连接方式为直接短路连接，或者可选地连接至具备充放电功能的测试设备。
[0016]步骤S4：电芯封装与注液
[0017]将组装好的电芯置入由金属、陶瓷或高分子材料制成的密闭腔室(如扣式电池壳、铝塑膜、特种聚合物壳体)中。向腔室内注入非水电解液，随后进行密封。
[0018]步骤S5：电化学嵌锂反应
[0019]将密封好的电芯置于可控温环境中，环境温度范围为-100℃至200℃。通过外电路使铝电极与锂电极发生电化学短路，维持一段时间，使锂离子通过电解液迁移并嵌入铝晶格中形成合金。或者，可选地通过外接充放电设备进行恒压或恒流放电，实时监测电压与电流变化，以精确判断嵌锂反应的终点。
[0020]步骤S6：后处理
[0021]嵌锂反应结束后，在惰性气氛保护下拆解电芯，取出锂化完成的铝锂合金产物。使用合适的有机溶剂(如碳酸二甲酯、四氢呋喃)洗涤产物，以去除残留的电解液盐分与溶剂，随后干燥，即得到目标成分的铝锂合金粉末。
[0022]在上述技术方案中，所述电解液包含锂盐及非水溶剂。锂盐可选自
六氟磷酸锂(LiPF6)、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、
双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)等中的一种或多种。溶剂可选自环状碳酸酯(如碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC)、链状碳酸酯(如碳酸二甲酯DMC、碳酸二乙酯DEC、碳酸甲乙酯EMC)、醚类(如四氢呋喃THF、1,3-二氧戊环DOL、二甘醇二甲醚)、羧酸酯、砜类(如环丁砜)、离子液体及它们的混合物。
[0023]在上述技术方案中，所述隔膜可选用聚烯烃微孔膜(PE、PP及其复合膜)、无纺布(PET、PI等)、陶瓷涂覆隔膜或固态电解质膜。
[0024]在上述技术方案中，所述温度控制：控制制备过程中的动力学速率，可控制步骤S5的反应温度至-100℃-200℃，以促进锂离子在铝中的扩散。
[0025]本发明还提供一种铝锂合金粉末，由上述任一项方法制备所得，其化学计量式为Al、AlLi、Al2Li3或Al4Li9或其混合物。
[0026]本发明还提供一种电化学嵌锂装置，包括：
[0027]层叠设置的铝电极、隔膜和锂电极;
[0028]密闭腔室及电解液容纳空间;
[0029]外电路连接端口;
[0030]温度控制系统。
[0031]在上述技术方案中，所述密闭腔室为扣式电池壳、铝塑膜或特种聚合物壳体。
[0032]有益效果
[0033]本发明所述方法具有以下显著优势：
[0034]1.有效隔绝环境，保障材料纯度：整个制备过程中，金属铝箔与金属锂箔均完全浸没于电解液中，并封装于密闭的电化学电池体系内。反应过程中可在铝锂合金表面原位形成稳定的CEI(阴极电解质界面)层，从而彻底隔绝了合金与氧气、水汽等环境介质的接触，从根本上避免了因材料高活性导致的氧化、副反应及杂质引入，显著提升了产物的化学纯度与一致性。
[0035]2.低温条件拓宽材料选择范围：反应全程处于较低温度(最低可至-100℃，最高一般不超过锂的熔点)，极大抑制了高温下的剧烈反应与相互扩散。这使得：(a)多种在高温下易与熔体反应的金属或合金(如不锈钢、特种钢)可作为保护性结构材料用于电池外壳或辅助部件;(b)绝大多数陶瓷材料在此温区呈化学惰性，可用作容器、涂层或隔膜基底;(c)甚至许多耐电解液的工程塑料也可直接应用于电池封装或部件制造，大幅提高了工艺设计的灵活性与材料兼容性。
[0036]3.能耗显著降低：对于锂原子占比不超过69.2%的铝锂合金体系，仅需在室温附近即可完成电化学嵌锂过程，无需外部加热或高温熔炼设备，避免了传统熔铸工艺中大量的热能消耗，符合绿色低碳的制备理念。
[0037]4.成分精确可控：通过外接电路对电化学过程进行实时监测(如电压、电流、累积容量)，可精准控制嵌入铝中的锂量，从而实现对最终合金成分(锂含量)的准确、灵活调控，便于制备一系列不同化学计量比的铝锂合金。
[0038]5.工艺流程大幅简化：该方法直接由铝箔经电化学嵌锂转化为铝锂合金粉末，一步成型，省去了传统“熔炼铸锭→机械破碎/雾化制粉”的多步复杂流程，缩短了工艺链，提高了生产效率，并降低了因多步骤处理带来的损耗与污染风险。
[0039]6.产物形貌与表面可设计性强：通过系统调节电解液组成(如溶剂类型、锂盐种类)以及反应温度等参数，能够定向调控所生成铝锂合金粉末的表面界面组成(如CEI层的化学成分与结构)、颗粒尺寸及微观形貌，从而实现对产物物理与电化学特性的优化，提升了方法的适用性与扩展性。
附图说明
[0040]图1为原子比约为1:1(Al:Li)的铝锂合金粉末的扫描电镜图;
[0041]图2为原子比约为2:3(Al:Li)的铝锂合金粉末的XRD图;
[0042]图3为原子比约为1:1(Al:Li)的铝锂合金粉末的首次脱锂容量曲线;
[0043]图4为原子比约为4:9(Al:Li)的铝锂合金粉末的XRD图谱;
[0044]图5为原子比约为4:9(Al:Li)的铝锂合金粉末的恒压放电曲线;
[0045]图6为含氟元素钝化膜的铝锂合金的元素分布;
[0046]图7为含硫元素钝化膜的铝锂合金的元素分布。
具体实施方式
[0047]下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
[0048]实施例1
[0049]取厚度为0.2mm的铝箔，裁切成直径为15mm的圆片。依次用石油醚和去离子水超声清洗并烘干。取直径15.6mm、厚度100μm的锂片作为对电极，以直径16.0mm的聚丙烯(PP)多孔膜为隔膜。在氩气手套箱中，将铝片、隔膜、锂片顺序叠放，注入150μL电解液(1M LiPF6溶于EC/DEC，体积比1:1)，封装于2032型扣式电池壳中。将电池置于25℃环境中，外接电路使其短路40小时。随后拆解电池，取出产物，用碳酸二甲酯(DMC)洗涤数次，60℃真空干燥，得到原子比约为1:1(Al:Li)的铝锂合金粉末。产物的扫描电镜(SEM)形貌如图1所示。
[0050]实施例2
[0051]取厚度为0.1mm的铝箔，裁切成67mm×103mm的长方形片，清洗干燥。取厚度50μm的锂箔，裁切成70mm×105mm的长方形片。以
铜箔(宽度109mm)作为导电集流体兼物理间隔，将铝片、铜箔、锂片以Z型叠片方式组装为电芯。注入电解液(1M LiBF4的四氢呋喃溶液)，电芯因液接电势自发形成短路状态。将电芯用铝塑膜封装，于25℃环境中静置96小时。反应完成后拆解，产物用THF洗涤并60℃干燥，得到原子比为2:3(Al:Li)的铝锂合金粉末。产物的X射线衍射(XRD)图谱如图2所示。
[0052]实施例3
[0053]基本步骤同实施例1，区别在于：电解液为1M LiTFSI的DMC溶液，反应温度提升至90℃，短路时间为60小时。所得产物为AlLi合金粉末。其作为电池负极材料的首次脱锂容量曲线如图3所示。
[0054]实施例4
[0055]基本步骤同实施例1，区别在于：电解液为1M LiFSI的环丁砜溶液，反应温度提升至170℃，短路时间为40小时。得到原子比约为4:9(Al:Li)的铝锂合金粉末。其XRD图谱如图4所示，证实了特定铝锂合金相的形成。
[0056]实施例5
[0057]基本步骤同实施例1，区别在于：外电路连接至充放电测试仪，采用恒流恒压放电模式，截止电压设为1mV。通过监控累积放电容量，精确控制嵌锂量。最终获得原子比约为4:9(Al:Li)的铝锂合金粉末。其恒压放电曲线如图5所示。
[0058]实施例6
[0059]基本步骤同实施例4，区别在于：采用如实施例5所述的恒压放电模式进行容量控制式嵌锂。所得铝锂合金粉末表面形成了一层含氟的致密钝化膜。其元素面分布分析(如EDS mapping)结果如图6所示，显示了氟元素的均匀分布。
[0060]实施例7
[0061]基本步骤同实施例6。所得铝锂合金粉末表面形成了一层含硫的致密钝化膜。其元素面分布分析结果如图7所示，显示了硫元素的均匀分布，这源于电解液中环丁砜溶剂或LiFSI盐的分解与成膜作用。
[0062]以上实施例表明，本发明方法可在低温下通过电化学途径直接制备出成分可控、物相明确的铝锂合金粉末，工艺简单，避免了传统熔炼法的缺陷。
[0063]以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
说明书附图(7)
声明：
“铝锂合金粉末的低温制备方法及装置” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：中国科学院电工研究所
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2026年03月25日 ~ 27日 
