一种负极集流体、电池负极、电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种负极集流体、电池负极、电池及其制备方法。负极集流体的制备方法包括以下步骤：S1，以铜箔或镍箔为集流体基材本体，采用热压工艺或涂膜技术在所述基材本体的上下表面均覆上一层高分子树脂膜，得到上下表面均设置有高分子树脂膜的基材；S2，通过激光打孔工艺或光刻打孔工艺在所述基材本体上表面的高分子树脂膜上打出阵列分布的凹坑结构；S3，将步骤S2处理后的基材清洗干净后烘干；S4，将所述基材浸泡在化学蚀刻液中，对基材本体进行蚀刻，使得基材本体上以凹坑结构处为起始被蚀刻形成的孔洞结构贯穿所述基材本体整体，制得表面具有微米级孔阵列结构的负极集流体。本发明专利技术制得的负极集流体可有效提高电池的性能稳定性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种负极集流体、电池负极、电池及其制备方法
本专利技术涉及电池领域，特别是涉及一种负极集流体、电池及其制备方法。
技术介绍
随着工业的发展和化石能源的枯竭，环境污染和能源匾乏的压力越来越大，寻找新的能源和发展新的节能工具势在必行，发展新能源材料是21世纪亟待解决的问题。锂电池作为电化学储能装置的一种，与传统的铅酸蓄电池、镍镉电池，镍氢等二次电池相比，具有更高的工作电压、能量密度和更低的自放电率，受到了广泛关注和快速发展。近年来，锂电池已经成功应用在电动车、智能手机、可穿戴电子产品，电网产业等领域。锂金属，因具有高达3860mAh/g的理论能量密度值和最低的还原电势(-3.04V相比于标准氢电极)，被公认为一种理想的可充电电化学储能装置负极材料。与锂离子电池相比，锂金属电池，如锂空气电池和锂硫电池等，具有更高的能量密度值，得到了广泛的研究。然而，在长期的充放电循环过程中，负极锂金属表面会形成锂枝晶，锂枝晶的形成会使得负极材料活性降低，甚至会造成电池的短路，不仅造成了电池性能的衰减，也使得电池的安全性能受到了挑战，从而成为限制锂金属电池应用的主要瓶颈。以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的专利技术构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种负极集流体、电池负极、电池及其制备方法，制得的负极集流体可有效提高电池的性能稳定性和安全性。本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种负极集流体的制备方法，包括以下步骤：S1，以铜箔或镍箔为集流体基材本体，采用热压工艺或涂膜技术在所述基材本体的上下表面均覆上一层高分子树脂膜，得到上下表面均设置有高分子树脂膜的基材；S2，通过激光打孔工艺或光刻打孔工艺在所述基材本体上表面的高分子树脂膜上打出阵列分布的凹坑结构；打孔后，所述凹坑结构贯穿所述基材本体上表面的高分子树脂膜以显露出基材本体，所述凹坑结构顶部的直径在10～100微米的范围，所述凹坑结构底部的直径在5～80微米的范围；S3，将步骤S2处理后的基材清洗干净后烘干；S4，将所述基材浸泡在化学蚀刻液中，对基材本体进行蚀刻，使得基材本体上以所述凹坑结构处为起始被蚀刻形成的孔洞结构贯穿所述基材本体整体，制得表面具有微米级孔阵列结构的负极集流体。本专利技术的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决：一种根据如上所述的制备方法制得的负极集流体。一种电池负极的制备方法，根据如上所述的制备方法制得负极集流体；在所述负极集流体上沉积金属活性物质，制得金属活性物质沉积在所述负极集流体的孔结构中的电池负极。一种根据如上所述的制备方法制得的电池负极。一种电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：根据如上所述的制备方法制得电池负极；将所述电池负极与电池正极、隔膜和电解液组装成电池。一种根据如上所述的制备方法制得的电池。本专利技术与现有技术对比的有益效果是：本专利技术的负极集流体的制备方法，通过激光打孔或光刻打孔工艺和化学液刻蚀相结合的方法，使得上下表面覆有高分子树脂膜的铜箔/镍箔集流体整体具有微米级的孔阵列结构，得到具有3D分离腔室的负极集流体。这种特定结构的集流体，组装成电池后，使得使用过程中在内部孔中形成的电场分布呈现出平行于孔底部，也即平行于隔膜的状态。这样，长期充放电循环过程中负极金属形成的枝晶结构在电场的驱动下，被有序地、可控地引导分布生长，使得金属枝晶都留在孔洞里面，不与隔膜接触，从而避免枝晶刺穿隔膜的问题，确保金属电池性能的稳定以及安全性。本专利技术的方法加工工艺简便、可行，可工业化生产可能性大，基于该集流体进一步构筑电池负极及金属电池的方案既能有效解决锂枝晶不可控生长造成的安全性问题，又能保证锂金属电池性能的稳定。【附图说明】图1是本专利技术具体实施方式中激光打孔之后揭掉表面高分子树脂膜之后露出的铜箔表面的光学显微镜图；图2是本专利技术具体实施方式中刻蚀之后未揭掉表面高分子膜拍得的光学显微镜图；图3是本专利技术具体实施方式中刻蚀之后且揭掉表面高分子膜后拍得的SEM图；图4是本专利技术具体实施方式中实施例1覆铜板经过打孔工艺后的表面扫描电镜图；图5是本专利技术具体实施方式中实施例1覆铜板经过碱刻蚀后的扫描电镜图；图6是本专利技术具体实施方式中实施例1沉积有锂金属后的集流体在揭掉表层高分子薄膜后的扫描电镜图；图7是本专利技术具体实施方式中实施例1和对照样例中制得的全电池的比容量、库伦效率与循环次数的关系图；图8是本专利技术具体实施方式中实施例1和对照样例中制得的全电池的充放电过电势与循环次数的关系图；图9是本专利技术具体实施方式中实施例2覆铜板经过碱刻蚀后的扫描电镜图。【具体实施方式】下面结合具体实施方式并对照附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的构思是：锂枝晶/锌枝晶/铝枝晶，属于一种具有树枝状结构的金属，是电池在长期充放电循环过程中锂离子/锌离子/铝离子的不均匀沉积而形成的。自20世纪60年代发现枝晶以来，该问题并没有得到较好的解决。以锂金属为例，为了改善锂金属电池的性能，近期研究主要集中在电解液的改性，锂金属表面机械改性以及表面构筑保护层等，以诱导锂枝晶的定向生长或抑制锂枝晶的形成。其中，不少研究也基于对锂负极集流体-铜的改性，主要思路是制备一种3D结构的铜集流体，如泡沫铜和微米铜阵列等，以实现锂金属的定向诱导生长。然而，上述制备过程工艺相对复杂，一般采用化学反应和热处理还原结合、电纺等工艺，得到的3D结构尺寸为微纳米级，尺寸越小，从而电流密度越低，以抑制枝晶的生长。该方案工艺复杂、可控性差，不适用于大规模工业化生产，商业上使用面窄、成本高。本专利技术构思采用一些简便可行的工业化加工工艺来制备具有特定结构的铜集流体，通过特定结构在电池应用过程中形成的独特电场分布，不是去抑制枝晶的生长，而是有序地、可控地引导枝晶的分布生长，使枝晶都听留在孔洞里面，不能与隔膜接触刺穿隔膜，从而既能有效解决锂枝晶造成的安全性问题，又能保证锂金属电池性能的稳定，将有利于锂金属电池进一步的产业化应用。本具体实施方式中提供一种负极集流体的制备方法，包括以下步骤：S1，以铜箔或镍箔为集流体基材本体，采用热压工艺或涂膜技术在所述基材本体的上下表面均覆上一层高分子树脂膜，得到上下表面均设置有高分子树脂膜的基材。该步骤中，集流体基材本体可选用铜箔或者镍箔。其中，铜箔比较密实，可满足电池里面较高的封装密度，且商业应用广泛，因此优选可选用铜箔。在铜箔或者镍箔的上下表面均敷设一层高分子树脂膜，所述高分子树脂膜的材质为环氧类树脂或聚氨酯类树脂。上表面覆上树脂膜的作用包括两方面：一，作为物理绝缘阻挡层，对后续经过打孔、刻蚀后形成的铜孔/镍孔内部的电场分布产生影响，以得到所期望的在铜孔/镍孔内部平行分布的内部电场；二，如果表面没有高分子树脂膜，在化学液刻蚀过程中，铜/镍箔的上表面会暴露在蚀刻液中，使得刻蚀过程从铜的表面自上而下开始刻蚀，无法得到孔阵列。覆上高分子树脂膜后，膜对铜/镍的表面发挥保护作用，使得铜/镍的刻蚀是从打孔露出的表面处扩展，使孔逐渐变大，而不是整个表面均被刻蚀。下表面覆上树脂膜的作用主要是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负极集流体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，以铜箔或镍箔为集流体基材本体，采用热压工艺或涂膜技术在所述基材本体的上下表面均覆上一层高分子树脂膜，得到上下表面均设置有高分子树脂膜的基材；S2，通过激光打孔工艺或光刻打孔工艺在所述基材本体上表面的高分子树脂膜上打出阵列分布的凹坑结构；打孔后，所述凹坑结构贯穿所述基材本体上表面的高分子树脂膜以显露出基材本体，所述凹坑结构顶部的直径在10～100微米的范围，所述凹坑结构底部的直径在5～80微米的范围；S3，将步骤S2处理后的基材清洗干净后烘干；S4，将所述基材浸泡在化学蚀刻液中，对基材本体进行蚀刻，使得基材本体上以所述凹坑结构处为起始被蚀刻形成的孔洞结构贯穿所述基材本体整体，制得表面具有微米级孔阵列结构的负极集流体。

【技术特征摘要】
1.一种负极集流体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，以铜箔或镍箔为集流体基材本体，采用热压工艺或涂膜技术在所述基材本体的上下表面均覆上一层高分子树脂膜，得到上下表面均设置有高分子树脂膜的基材；S2，通过激光打孔工艺或光刻打孔工艺在所述基材本体上表面的高分子树脂膜上打出阵列分布的凹坑结构；打孔后，所述凹坑结构贯穿所述基材本体上表面的高分子树脂膜以显露出基材本体，所述凹坑结构顶部的直径在10～100微米的范围，所述凹坑结构底部的直径在5～80微米的范围；S3，将步骤S2处理后的基材清洗干净后烘干；S4，将所述基材浸泡在化学蚀刻液中，对基材本体进行蚀刻，使得基材本体上以所述凹坑结构处为起始被蚀刻形成的孔洞结构贯穿所述基材本体整体，制得表面具有微米级孔阵列结构的负极集流体。2.根据权利要求1所述的负极集流体的制备方法，其特征在于：步骤S1中以铜箔为集流体基材本体；步骤S4中，所述化学蚀刻液包括铜盐、助剂和pH调节溶液。3.根据权利要求2所述的负极集流体的制备方法，其特征在于：所述化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨诚，邹培超，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44