一种阵列结构的锂金属复合电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种阵列结构的锂金属复合电极及其制备方法。所述锂金属复合电极由金属锂及其复合组分构成，具有垂直阵列的结构特点，其中锂复合电极厚度为1微米‑1厘米，其中阵列中的金属锂的宽度范围为10纳米‑500微米，阵列中的复合组份的宽度为0.3纳米‑500微米，复合组份包括但不限于金属、金属氧化物、二维材料及其组成的薄膜、编织物等其中的一种或复合薄膜。所述复合电极应用为金属锂基电池负极时，在充放电过程中电极表面没有明显的枝晶，具有超高面容量、优异的倍率性能和长的循环寿命。

A Lithium Metal Composite Electrode with Array Structure and Its Preparation Method

The invention relates to a lithium metal composite electrode with an array structure and a preparation method thereof. The lithium metal composite electrode consists of lithium metal and its composite components, and has the structural characteristics of a vertical array. The thickness of the lithium composite electrode is 1 micron to 1 cm. The width of lithium metal in the array is 10 nanometer to 500 micron, and the width of the composite component in the array is 0.3 nanometer to 500 micron. The composite component includes but is not limited to metals, metal oxides and two-dimensional materials. One of the membranes or composite membranes composed of the membranes, knitted fabrics, etc. When the composite electrode is applied as a negative electrode of a metal lithium-based battery, there is no obvious dendrite on the surface of the electrode during charging and discharging, and the composite electrode has super high surface capacity, excellent rate performance and long cycle life.

【技术实现步骤摘要】
一种阵列结构的锂金属复合电极及其制备方法
本专利技术属于二次电池领域，具体涉及一种阵列结构的锂金属复合电极及其制备方法。
技术介绍
金属锂电池作为当今世界应用最广泛和最有发展前景的电池之一，具有比能量和放电性能高、工作和贮存寿命长、安全操作性能高和成本较低的优点。随着Li-S电池、Li-空气、Li-二氧化碳电池等新型高容量锂电池的出现，锂金属负极的安全应用成为了下一代能量存储系统的决定因素。锂金属一直被视作可再充锂电池的最理想的负极材料，它具有极高的理论比容量(3860mAhg-1)，低密度(0.59gcm-3)和最负的电化学电势(相比标准氢电极大约-3.04V)等优异性能。然而由于锂金属负极充放电过程中的无载体特性，其在重复充电/放电过程中存在枝晶生长、低库仑效率(CE)问题，导致基于锂金属负极的可充电电池至今尚未商业化。最近,研究的关注已经转移锂金属负极的结构设计和集流体的制造，以抑制锂枝晶的生长，调节锂的循环行为。通过设计降低沉积过程中的电流密度以及采用高比表面积的集流体已经成为一项新的研究方向。但是传统的制备方法中复杂的制造过程，以及设计纳米结构的材料也限制了它们的实际应用。因此，发展是必要的锂金属设计的简易策略，设计合成可能的复合电极实现卓越的电化学表现及成本效益。
技术实现思路
针对本领域存在的不足之处，本专利技术提出一种阵列结构的锂金属复合电极及其制备方法。所述复合电极由金属锂及其复合组分构成，具有垂直阵列的结构特点。所述锂复合电极的厚度为1微米-1厘米，其中阵列中的金属锂的宽度范围为10纳米-500微米，阵列中的复合组份的宽度为0.3纳米-500微米。所述复合组份包括但不限于金属、金属氧化物、二维材料及其组成的薄膜、编织物等其中的一种或复合薄膜。所述复合组份中的金属包括但不限于铜、铝、金、银、钼、铁、锌、锡、锗及合金等中的一种或多种，优选为金属箔和金属线。所述金属氧化物包括但不限于氧化锌、氧化锡、氧化硅、氧化锗等中的一种或多种。所述二维材料及其组成的薄膜包括但不限于石墨烯、氮化硼、氧化钼、二硫化钼、碳化钛等及其薄膜或复合膜中的一种或多种。所述编织物包括但不限于碳纤维布、碳纳米管薄膜、无纺布等中的一种或多种。所述复合薄膜包括但不限于金属与二维材料、金属氧化物与二维材料、金属与金属、金属与编织物、金属氧化物与编织物等中的一种或多种。所述复合电极应用为金属锂基电池负极时，在充放电过程中电极表面没有明显的枝晶，具有超高面容量、优异的倍率性能和长的循环寿命。本专利技术还提供一种锂金属复合电极的制备方法，包括以下步骤：(1)在惰性环境中，将金属锂和复合组分经物理方法处理制备成层状复合锂材料；其中金属锂优选为金属锂带、金属锂片、金属锂线等中的一种或多种；其中物理方法优选为辊压、混合等方法中的一种。所述惰性环境为氩气、氦气等中的一种或多种。(2)将步骤(1)中所得的复合锂材料采用折叠、卷绕等方法制备成为多层复合锂材料。选择性包括步骤(3)(3)将步骤(2)中所得的多层复合锂材料进行切割制备成具有阵列结构的锂复合电极，其中锂复合电极厚度为1微米-1厘米。本专利技术还提供一种全电池，负极为上述锂金属复合电极，正极包括磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰、镍钴铝等三元正极、硫、氧气、空气、二氧化碳等中的一种。所述全电池包括锂金属电池、锂硫电池、锂空电池、锂二氧化碳电池等中的一种。本专利技术的有益效果在于：本专利技术制备的复合锂电极经多次充放电后表面平整，没有明显的枝晶；面容量为0.5-1000毫安时每平方厘米；充放电倍率在0.01-100毫安每平方厘米能正常工作。附图说明图1为制备阵列结构的锂金属复合电极生产过程示意图。图2为实施例1所制备的阵列结构的锂金属复合电极的X射线衍射图谱。图3为实施例1所制备的阵列结构的锂金属复合电极的扫描电子显微镜照片及能谱分析。图4为实施例1获得的阵列结构的锂金属复合电极的对电池的电化学循环图。图5为实施例1获得的阵列结构的锂金属复合电极的对电池的深度充放电的电化学循环图。图6为实施例1获得的阵列结构的锂金属复合电极与钴酸锂匹配的全电池的电化学性能图。具体实施方式以下通过具体实施例说明本专利技术的技术方案。应该理解，本专利技术提到的一个或者多个步骤不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法和步骤，或者这些明确提及的步骤间还可以插入其他方法和步骤。还应理解，这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非限制每个方法的排列次序或限定本专利技术的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质
技术实现思路
变更的条件下，亦可视为本专利技术可实施的范畴。实施例中所采用的原料和仪器，对其来源没有特定限制，在市场购买或者按照本领域内技术人员熟知的常规方法制备的即可。下列实施方式中，所述阵列结构的锂金属复合电极制备过程如图(1)所示，该示意图意在说明本专利技术的技术方案。应该理解，本专利技术提到的一个或者多个步骤不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法和步骤，或者这些明确提及的步骤间还可以插入其他方法和步骤。实施例1：一种锂金属复合电极的制备，步骤如下：(1)选取70微米厚的金属锂箔，厚度为25微米的金属铜箔，将上述两种材料在氩气气氛中通过辊压机进行滚压，制备出质地均匀的锂铜复合带；(2)将步骤(1)制备的锂铜复合带通过折叠绲绕机进行折叠缠绕，制备出具有锂-铜-锂垂直阵列结构的复合电极材料，通过切割，得到500微米厚的复合电极。(3)将步骤(2)得到的复合电极组装成对称电池，在1毫安每平方厘米的电流、1毫安时每平方厘米的面容量下进行电化学测试，该对称电池具有长达1500小时的长循环稳定性能(见附图4)。(4)将步骤(2)得到的复合电极组装成对电池，在在1毫安每平方厘米的电流、50毫安时每平方厘米的面容量下进行电化学测试，可在1毫安每平方厘米的电流、50毫安时每平方厘米的面容量下稳定进行深度充放电700小时(见附图5)。(5)将步骤(2)得到的电极材料与钴酸锂正极材料进行匹配，组装成全电池进行测试。材料的X射线衍射花样见附图2，分析可得制备得到的材料为金属锂和铜的复合材料。。经扫描电子显微镜检测垂直阵列呈现锂-铜-锂的阵列式排布，同时铜的厚度约为25微米，金属锂的厚度为70微米(见附图3)。在对上述制备出的电极进行电化学测试，该方法得到的锂金属复合电极具有优异的电化学稳定性以及1500小时的长循环稳定性能(见附图4)；可在1毫安每平方厘米、50毫安时每平方厘米的电流密度下稳定进行深度充放电(见附图5)，在和钴酸锂正极匹配时，表现出在0.5C电流密度下可稳定循环200次的电化学性能。(见附图6)。实施例2：一种锂金属复合电极的制备，步骤如下：(1)在惰性环境中，将金属锂带通过辊压机进行滚压，初步制备具备10纳米厚的金属锂箔，裁取一定尺寸厚度为5微米的金属铜箔，将上述两种材料进行滚压，制备出质地均匀的锂铜带；(2)将步骤(1)制备的锂铜带通过折叠绲绕机进行折叠缠绕，制备出具有锂-铜-锂垂直阵列结构的复合电极材料，通过切割，得到一定厚度的电极材料。实施例3：一种锂金属复合电极的制备，步骤如下：(1)在惰性环境中，将金属锂带通过辊压机进行滚压，初步制备具备500微米厚的金属锂箔，裁取一定尺寸厚度为5微米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阵列结构的锂金属复合电极，其特征在于，所述复合电极由金属锂及其复合组分构成，具有垂直阵列的结构特点；所述锂复合电极的厚度为1微米‑1厘米；其中，阵列中的金属锂的宽度范围为10纳米‑500微米，阵列中的复合组份的宽度范围为0.3纳米‑500微米；所述复合组份选自金属、金属氧化物、二维材料及其组成的薄膜、编织物中的一种或复合薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种阵列结构的锂金属复合电极，其特征在于，所述复合电极由金属锂及其复合组分构成，具有垂直阵列的结构特点；所述锂复合电极的厚度为1微米-1厘米；其中，阵列中的金属锂的宽度范围为10纳米-500微米，阵列中的复合组份的宽度范围为0.3纳米-500微米；所述复合组份选自金属、金属氧化物、二维材料及其组成的薄膜、编织物中的一种或复合薄膜。2.根据权利要求1所述的锂金属复合电极，其特征在于，所述复合组份中的金属选自铜、铝、金、银、钼、铁、锌、锡、锗及合金中的一种或多种，优选为金属箔和金属线；所述金属氧化物选自氧化锌、氧化锡、氧化硅、氧化锗中的一种或多种；所述二维材料及其组成的薄膜选自石墨烯、氮化硼、氧化钼、二硫化钼、碳化钛及其薄膜或复合膜中的一种或多种；所述编织物选自碳纤维布、碳纳米管薄膜、无纺布中的一种或多种；所述复合薄膜选自金属与二维材料、金属氧化物与二维材料、金属与金属、金属与编织物、金属氧化物与编织物中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的锂金属复合电极，其特征在于，所述复合锂电极的面容量为0.5-100...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，曹振江，李彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11