一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体制造技术

本发明专利技术涉及一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体。通过在常规集流体上覆盖一层铜锌合金：铜锌合金的厚度为10nm～1μm，铜锌合金中锌的原子含量为1％～5％。相比常规集流体，铜锌合金集流体可以为金属锂沉积提供更多的活性位点，以负载有金属锂的合金集流体或普通铜箔作为负极，采用Celgard 2325隔膜，金属锂作为参比电极和对电极，在充满氩气的手套箱内装成扣式电池。用蓝电进行沉积/溶解实验。电流密度为：0.5mA cm‑2，相比铜箔电极仅仅循环了520小时后，电压滞明显增大，铜锌合金负极在循环1000小时后，仍然保持着较小的电压滞。我们将这种集流体应用到锂‑磷酸铁锂全电池上，相比采用普通集流体材料的金属锂负极，电池的电化学性能同样有了明显的改善和提高。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体
本专利技术涉及一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，应用于高储能金属锂电池领域。
技术介绍
随着电动汽车、手机、笔记本电脑等行业的高速发展，人们对高能量密度、高安全性的储能电池的需求日益增长。在各类电池体系中，金属锂由于其最高的理论比能量(3860mAhg-1)及最低的氧化还原电极电势(-3.040Vvs.标准氢电极)而成为下一代电池负极材料的研究热点。然而，金属锂负极在充放电过程中，易形成针状或树枝状的锂枝晶。锂枝晶的形成和生长会给电池体系带来不可逆的容量损失，甚至可能会穿过隔膜而导致电池正负极内部短路，埋下电池过热自燃等安全隐患。为解决这些问题，科研工作者们从电池结构设计、电解质体系调控等角度进行了诸多尝试，但目前还都不能完美解决金属锂负极的循环效率低、循环稳定性差、安全性低等问题。抑制金属锂枝晶的生长需要更多新的思考角度以及新的解决策略。金属锂的前期成核生长对于金属锂的后续沉积具有重要影响，其直接关系到后续金属锂的稳定性。因此，抑制锂枝晶的关键在于能否有效控制金属锂的成核生长，尤其是控制金属锂的均匀成核。现在常用的铜箔集流体由于表面的不平整以及缺陷等，导致金属锂在成核阶段就会出现不均匀富集，进而使得锂枝晶的发生的几率大大提高。因此，寻求一种可以诱导金属锂均匀成核的集流体，对于发展金属锂负极具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术涉及一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，具体是通过在基底材料上覆盖一层铜锌合金。目的是通过铜锌合金中锌原子分散金属锂沉积的成核位点，降低金属锂的成核势垒，进而起到抑制锂枝晶的效果。如图1所示。相对于现有技术，本专利技术具有以下特点：本专利技术的通过选择具有亲锂的锌元素作为锂成核的晶种，可以使得锂离子分布更加均匀，有利于金属锂下一步的均匀沉积生长。通过将合金覆盖在基底材料上，此方法简便易行，很容易推广。另外，这种结构须具备一定的稳定性，在金属锂的沉积溶解过程中，铜锌元素分布不会发生明显变化，能够满足电池长循环的需求。本专利技术的技术方案如下：作为本专利技术一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，所述的在基底材料上覆盖一层铜锌合金；铜锌合金的厚度为10nm～1μm；锌原子含量为1％～5％。作为本专利技术一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，所述的基底材料为：铜箔、镍箔、钛箔、纳米纤维铜、泡沫铜、碳纤维或泡沫镍。作为本专利技术一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，这种铜锌合金集流体可以通过磁控溅射的方法制备。磁控溅射中，靶材为铜锌合金，铜锌合金中锌原子含量为1％～5％。作为本专利技术一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，这种铜锌合金集流体可以采用电沉积方法制备，其镀液工艺配方及操作条件为：酒石酸钾钠80～100g/L、硫酸铜25～40g/L、硫酸锌10～15g/L、柠檬酸钾20～30g/L、磷酸二氢钾20～25g/L、氢氧化钠20～30g/L、适量光亮剂、PH值12～12.4、施镀温度为30～40℃、阴极电流密度为0.005μAcm-2～100mAcm-2，持续时间为1s～24h，机械搅拌，工作电极为基底材料，对电极为铂片，通过施加电压电沉积。作为本专利技术一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，所述铜锌合金集流体可以应用到锂-磷酸铁锂电池。作为本专利技术一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体的拓展，这种合金元素也可以是铜硅合金、铜锗合金。作为本专利技术一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体的拓展应用，这种铜锌合金集流体也可以应用到其他金属锂电池中(如锂氧电池、锂硫电池)。通过在常规集流体上覆盖一层铜锌合金，可以极大地改善金属锂的沉积行为。以负载有金属锂的合金集流体或普通铜箔作为负极，采用Celgard2325隔膜，金属锂作为参比电极和对电极，在充满氩气的手套箱内装成扣式电池。用蓝电进行沉积/溶解实验。电流密度为：0.5mAcm-2，相比铜箔电极仅仅循环了520小时后，电压滞明显增大，铜锌合金负极在循环1000小时后，仍然保持着较小的电压滞。另外，我们将这种集流体应用到锂-磷酸铁锂全电池上，相比采用普通集流体材料的金属锂负极，电池的电化学性能同样有了明显的改善和提高。附图说明图1铜锌合金集流体通过锌作为晶种诱导锂沉积示意图。图2(a)普通铜箔和(b)覆盖有铜锌合金的铜箔浸入熔体锂后照片。图3为(a)普通铜箔和(b)覆盖有铜锌合金的铜箔以0.5mAcm-2电流密度，沉积0.5mAhcm-2的锂。具体实施方式本专利技术提供的一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，其特征在于在常规集流体(基底)上覆盖一层铜锌合金，进而起到抑制锂枝晶的效果。下面结合具体实例对本专利技术作进一步说明。实例1在本实例中铜锌合金集流体是通过磁控溅射法制备的，定制溅射/电子束/ICP-CVD(基础压力<1E-6托，ICP-CVD腔室)。典型的沉积条件：等离子体气体流量为100sccm，等离子体功率为200W，基底为铜箔，CuZn合金靶材中锌含量为1％，最终在普通铜箔上沉积10nm铜锌合金。实例2在本实例中铜锌合金集流体是通过磁控溅射法法制备的，基底为镍箔，CuZn合金靶材中锌含量为3％，在普通铜箔上沉积200nm铜锌合金。其他条件与实例1相同。实例3在本实例中铜锌合金集流体是通过磁控溅射法法制备的，基底为钛箔，CuZn合金靶材中锌含量为5％，在普通铜箔上沉积1000nm铜锌合金。其他条件与实例1相同。实例4在本实例中铜锌合金集流体是通过磁控溅射法法制备的，基底为泡沫铜，CuZn合金靶材中锌含量为1％，在普通铜箔上沉积500nm铜锌合金。其他条件与实例1相同。实例5在本实例中铜锌合金集流体是通过磁控溅射法制备的，基底为碳纤维，CuZn合金靶材中锌含量为2％，在普通铜箔上沉积500nm铜锌合金。其他条件与实例1相同。实例6在本实例中铜锌合金集流体是通过磁控溅射法法制备的，基底为纳米纤维铜，CuZn合金靶材中锌含量为5％，在普通铜箔上沉积500nm铜锌合金。其他条件与实例1相同。实例7在本实例中铜锌合金集流体是通过磁控溅射法法制备的，基底为泡沫镍，CuZn合金靶材中锌含量为2％，在普通铜箔上沉积500nm铜锌合金。其他条件与实例1相同。实例8在本实例中铜锌合金集流体是通过电沉积制备的，其工艺配方及操作条件为：酒石酸钾钠100g/L、硫酸铜40g/L、硫酸锌15g/L、柠檬酸钾20g/L、磷酸二氢钾25g/L、氢氧化钠20/L、适量光亮剂、pH值12.4、施镀温度为30℃、阴极电流密度为30mAcm-2，持续时间为1s，机械搅拌，工作电极为铜箔，对电极为铂片，通过施加电压电沉积。所得铜锌合金镀层为30nm，铜锌含量为2％。实例9在本实例中铜锌合金集流体是通过电沉积制备的，其工艺配方及操作条件为：酒石酸钾钠80g/L、硫酸铜25g/L、硫酸锌10g/L、柠檬酸钾30g/L、磷酸二氢钾20g/L、氢氧化钠30/L、适量光亮剂、PH值12、施镀温度为40℃、阴极电流密度为100mAcm-2，持续时间为24h，机械搅拌，工作电极为泡沫铜，对电极为铂片，通过施加电压电沉积。所得铜锌合金镀层为200nm，铜锌含量为1％。实例10在本实例中铜锌合金集流体是通过电沉积制备的，其工艺配方及操作条件为：酒石酸钾钠90g/L、硫酸铜30g/L、硫酸锌15g/L、柠檬酸钾25g/L、磷酸二氢钾25g/L、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，其特征是在基底材料上覆盖一层铜锌合金。

【技术特征摘要】
1.一种抑制锂枝晶的铜锌合金集流体，其特征是在基底材料上覆盖一层铜锌合金。2.如权利要求1所述的集流体，其特征是在基底材料上覆盖的铜锌合金的厚度为10nm～1μm；锌原子含量为1％～5％。3.如权利要求1所述的集流体，其特征是基底材料为：铜箔、镍箔、钛箔、纳米纤维铜、泡沫铜、碳纤维或泡沫镍。4.如权利要求1所述的集流体，其特征是铜锌合金集流体通过磁控溅射的方法制备得到；磁控溅射中，靶材为铜锌合金，铜锌合金中锌原子含量为1％～5％。5.如权利要求1所述的集流体，其特征是采用电沉积方法制备：镀液为：酒石酸钾钠...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗加严，刘山，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12