一种二次电池用复合金属负极的制备方法及其产品技术

本发明专利技术属于二次电池制备工艺相关领域，并公开了一种二次电池用复合金属负极的制备方法，包括：在集流体制成的薄膜上通过感光膜形成阵列式的多个开孔；对应于各个开孔在内部沉积金属电极材料；继续在金属电极材料表面上填充复合电解质溶液，并使得复合电解质最终呈固体形态覆盖所述金属电极的表面，同时该复合电解质的侧面被感光膜所固定。本发明专利技术还公开了通过上述工艺所制得的相应产品。通过本发明专利技术，能够以便于操控、高效率的方式制备同时带有保护膜和固定结构的二次电池金属负极，并且既能够同时抑制金属负极与电解液的负反应和枝晶产生，又能够显著降低保护膜带来的体积膨胀和能量密度降低等不良影响，因而尤其适用于工业化大规模生产的应用场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于二次电池制备工艺相关领域，更具体地，涉及一种二次电池用复合金属负极的制备方法及其产品。
技术介绍
二次电池是进行电能转移的重要媒介，并在便携电子产品、电动汽车、储能等领域获得了广泛应用。在二次电池中，Li、Na等金属电极具有容量高、电极电势低等优点，因此通常用作Li-S电池、锂离子电池、钠离子电池、室温Na-S电池等二次电池的负极材料。但在商业应用中，直接采用Li、Na等金属电极作为负极被视为本领域的技术难题之一，这是因为Li、Na等金属电极在电化学反应中容易产生枝晶和脱落，进而不断有容量损失，并可能产生短路、起火爆炸等严重的安全问题。现有技术中针对上述技术问题分别采取了一些解决方案。例如，为了抑制Li、Na等金属电极的枝晶生长问题，CN01410245358.0、CN201010223498.X和CN201510394325.7中分别提出采用导电聚合物、有机/无机复合物或者硅材料来对金属锂电极表面进行保护，相应在一定程度上可有效增强金属锂的沉积均匀性，并降低金属锂/电解液界面阻抗。然而，上述方法中的成膜需要比较复杂的反应，难以大规模和稳定地生产，而且硅材料等本身具有体积膨胀效应，导致其导电性较差，该保护膜具有较差的循环稳定性。此外，CN201410060132.3提出采用高强度纤维薄膜材料来防止锂枝晶刺穿隔膜，但经考察同样难以阻止金属锂和电解液之间的反应。又如，现有技术中提出了采用离子电导材料作为锂离子电解质，兼有抑制锂枝晶的生长的作用，具体如CN200810055841.7、CN201010556437.5中所示。这些双功能离子电导材料可应用于全固态或半固态锂离子电池上，相对于无机离子电导材料，有机离子电导材料所形成的聚合物电解质具有更好的离子电导特性，因此具有更好的应用前景。然而，进一步的研究同样表明，聚合物电解质在充放电或浸泡在电解液中容易产生体积膨胀的问题，甚至发生脱落；特别是当采用溶液浇铸或旋涂法这类方式来制备聚合物电解质时，往往存在尺寸有限、难以大规模生产以及膨胀脱离等问题，进而导致对Li、Na等金属电极的性能产生不利影响。相应地，本领域中迫切需要找到一种既能够抑制枝晶生长、又可有效抑制保护膜体积膨胀的Li、Na等金属电极的大规模生产方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种二次电池用复合金属负极的制备方法及其产品，其中通过对整体制备工艺的反应机理及其关键反应条件等多个方面进行研究和设计，相应能够以便于操控、高效率的方式制备同时带有保护膜和固定结构的二次电池金属负极，并且既能够同时抑制金属负极与电解液的负反应和枝晶产生，又能够显著降低保护膜带来的体积膨胀和能量密度降低等不良影响，因而尤其适用于工业化大规模生产的应用场合。按照本专利技术的一个方面，提供了一种二次电池用复合金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)清洗集流体制成的薄膜表面，然后在它的正反两面分别全部贴覆上感光膜；接着，利用掩膜并经过曝光、显影和固化处理，使得所述感光膜上形成呈阵列式分布的多个开孔，并各自曝露出位于开孔下方的集流体；(b)在所曝露出的集流体表面上，继续沉积金属电极材料，该金属电极材料选自以下材质中的一种：Li、Na、K、Mg、Li-Sn、Li-Al、Li-Si，而且该金属电极材料完成沉积后的厚度小于各个所述圆形开孔的深度；(c)称取适当配比的高分子聚合物、碱金属盐和无机纳米粉末，并将这三者加入到可挥发性有机溶剂中进行溶解和分散，由此制得复合电解质溶液；其中对于所述高分子聚合物与碱金属盐而言，前者中的氧元素与后者中的碱金属两者之间的摩尔比被设定为5～100，进一步优选为6～20；所述无机纳米粉末则被设定为占所述高分子聚合物和碱金属盐两者总重量百分比的5％～100％，进一步优选为20％～35％；(d)采用流延法将所制得的复合电解质溶液分别填充到各个所述开孔中，对该复合电解质溶液中的溶剂执行挥发处理，并使得复合电解质呈固体形态且完全覆盖住所述金属电极材料的表面，同时该固体形态的复合电解质的侧面被所述感光膜所固定，由此制得所需的二次电池用复合金属负极产品。按照本专利技术的另一方面，还提供了对上述方法的调整工艺。具体而言，请求保护一种二次电池用复合金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)清洗集流体制成的薄膜表面，然后在它的正反两面分别全部贴覆上感光膜；接着，利用掩膜并经过曝光、显影和固化处理，使得所述感光膜上形成呈阵列式分布的多个开孔，并各自曝露出位于开孔下方的集流体；(b)在所曝露出的集流体材料表面上，继续沉积金属电极材料，该金属电极材料选自以下材质中的一种：Li、Na、K、Mg、Li-Sn、Li-Al、Li-Si，而且该金属电极材料完成沉积后的厚度小于各个所述开孔的深度；(c)称取适当配比的高分子聚合物和碱金属盐，并将这两者加入到可挥发性有机溶剂中进行溶解和分散，由此制得复合电解质溶液；其中对于所述高分子聚合物中的氧元素与所述碱金属盐中的碱金属而言，两者之间的摩尔比被设定为5～100，进一步优选为6～20；(d)采用流延法将所制得的复合电解质溶液分别填充到各个所述开孔中，对该复合电解质溶液中的溶剂执行挥发处理，并使得复合电解质呈固体形态且完全覆盖住所述金属电极材料的表面，同时该固体形态的复合电解质的侧面被所述感光膜所固定，由此制得所需的二次电池用复合金属负极产品。按照本专利技术的又一方面，在某些应用场合下，还可以直接使用无机纳米粉末来完全替代前述的高分子聚合物和碱金属盐。具体而言，请求保护一种二次电池用复合金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)清洗集流体制成的薄膜表面，然后在它的正反两面分别全部贴覆上感光膜；接着，利用掩膜并经过曝光、显影和固化处理，使得所述感光膜上形成呈阵列式分布的多个开孔，并各自曝露出位于开孔下方的集流体；(b)在所曝露出的集流体材料表面上，继续沉积金属电极材料，该金属电极材料选自以下材质中的一种：Li、Na、K、Mg、Li-Sn、Li-Al、Li-Si，而且该金属电极材料完成沉积后的厚度小于各个所述开孔的深度；(c)将无机纳米粉末和粘结剂共同分散到可挥发性有机溶剂中，并配得质量百分比浓度为5％～50％的混合溶液；(d)采用流延法将通过步骤(c)所制得的混合溶液分别填充到各个所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二次电池用复合金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)清洗集流体制成的薄膜表面，然后在它的正反两面分别全部贴覆上感光膜；接着，利用掩膜并经过曝光、显影和固化处理，使得所述感光膜上形成呈阵列式分布的多个开孔，并各自曝露出位于开孔下方的集流体；(b)在所曝露出的集流体表面上，继续沉积金属电极材料，该金属电极材料选自以下材质中的一种：Li、Na、K、Mg、Li‑Sn、Li‑Al、Li‑Si，而且该金属电极材料完成沉积后的厚度小于各个所述圆形开孔的深度；(c)称取适当配比的高分子聚合物、碱金属盐和无机纳米粉末，并将这三者加入到可挥发性有机溶剂中进行溶解和分散，由此制得复合电解质溶液；其中对于所述高分子聚合物与碱金属盐而言，前者中的氧元素与后者中的碱金属两者之间的摩尔比被设定为5～100，进一步优选为6～20；所述无机纳米粉末则被设定为占所述高分子聚合物和碱金属盐两者总重量百分比的5％～100％，进一步优选为20％～35％；(d)采用流延法将所制得的复合电解质溶液分别填充到各个所述开孔中，对该复合电解质溶液中的溶剂执行挥发处理，并使得复合电解质呈固体形态且完全覆盖住所述金属电极材料的表面，同时该固体形态的复合电解质的侧面被所述感光膜所固定，由此制得所需的二次电池用复合金属负极产品。...

【技术特征摘要】
1.一种二次电池用复合金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包
括下列步骤：
(a)清洗集流体制成的薄膜表面，然后在它的正反两面分别全部贴覆
上感光膜；接着，利用掩膜并经过曝光、显影和固化处理，使得所述感光
膜上形成呈阵列式分布的多个开孔，并各自曝露出位于开孔下方的集流体；
(b)在所曝露出的集流体表面上，继续沉积金属电极材料，该金属电
极材料选自以下材质中的一种：Li、Na、K、Mg、Li-Sn、Li-Al、Li-Si，而
且该金属电极材料完成沉积后的厚度小于各个所述圆形开孔的深度；
(c)称取适当配比的高分子聚合物、碱金属盐和无机纳米粉末，并将
这三者加入到可挥发性有机溶剂中进行溶解和分散，由此制得复合电解质
溶液；其中对于所述高分子聚合物与碱金属盐而言，前者中的氧元素与后
者中的碱金属两者之间的摩尔比被设定为5～100，进一步优选为6～20；
所述无机纳米粉末则被设定为占所述高分子聚合物和碱金属盐两者总重量
百分比的5％～100％，进一步优选为20％～35％；
(d)采用流延法将所制得的复合电解质溶液分别填充到各个所述开孔
中，对该复合电解质溶液中的溶剂执行挥发处理，并使得复合电解质呈固
体形态且完全覆盖住所述金属电极材料的表面，同时该固体形态的复合电
解质的侧面被所述感光膜所固定，由此制得所需的二次电池用复合金属负
极产品。
2.一种二次电池用复合金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包
括下列步骤：
(a)清洗集流体制成的薄膜表面，然后在它的正反两面分别全部贴覆
上感光膜；接着，利用掩膜并经过曝光、显影和固化处理，使得所述感光
膜上形成呈阵列式分布的多个开孔，并各自曝露出位于开孔下方的集流体；
(b)在所曝露出的集流体材料表面上，继续沉积金属电极材料，该金
属电极材料选自以下材质中的一种：Li、Na、K、Mg、Li-Sn、Li-Al、Li-Si，
而且该金属电极材料完成沉积后的厚度小于各个所述开孔的深度；
(c)称取适当配比的高分子聚合物和碱金属盐，并将这两者加入到可
挥发性有机溶剂中进行溶解和分散，由此制得复合电解质溶液；其中对于
所述高分子聚合物中的氧元素与所述碱金属盐中的碱金属而言，两者之间
的摩尔比被设定为5～100，进一步优选为6～20；
(d)采用流延法将所制得的复合电解质溶液分别填充到各个所述开孔
中，对该复合电解质溶液中的溶剂执行挥发处理，并使得复合电解质呈固
体形态且完全覆盖住所述金属电极材料的表面，同时该固体形态的复合电
解质的侧面被所述感光膜所固定，由此制得所需的二次电池用复合金属负
极产品。
3.一种二次电池用复合金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包
括下列步骤：
(a)清洗集流体制成的薄膜表面，然后在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张五星，薛丽红，
申请(专利权)人：张五星，
类型：发明
国别省市：湖北;42