锂金属电池用负极多级铜骨架集流体及其制备方法及含该集流体的电池技术

本发明专利技术公开了一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，包含一级骨架以及设在所述一级骨架上的次级骨架；所述一级骨架包括以铜、铜锡合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜镍合金、铜铁合金、铜锰合金、铜铬合金、铜钛合金、铜铅合金、铜银合金、铜金合金、铜铂合金为材料制备出来的丝、线、箔、片、网、泡沫；本发明专利技术仅采用简单的电镀方法在以金属铜为一级骨架上制备次级骨架；以该多级骨架作为集流体，可起到为锂金属沉积提供沉积空间、均匀化界面锂离子流、抑制锂枝晶生长作用。

Anode multi-stage copper framework collector for lithium metal battery and its preparation method and battery containing the collector

【技术实现步骤摘要】
锂金属电池用负极多级铜骨架集流体及其制备方法及含该集流体的电池
本专利技术涉及一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体及其制备方法，以及含多级铜骨架集流体的电池，属于可逆锂金属电池

技术介绍
以石墨为负极的锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备领域，并逐步应用到电动汽车、大型储能电站领域。随着人们对能量密度的要求越来越高，锂离子电池由于其极限能量密度的限制，已逐渐不能满足人们的需求。锂金属由于具有最高的质量比容量（3860mAhg-1）及其最低的对氢氧化还原电位（-3.04eV），重新回到了研究的舞台。然而，锂金属在二次电池的循环过程中枝晶生长、无限的体积变化及电解液与新鲜锂金属的持续反应，造成了电池循环稳定性极差、循环寿命短，特别是当枝晶持续生长刺穿隔膜联通正负极造成短路后引发爆炸、火灾等安全事故，限制了锂金属作为二次电池负极材料的进一步使用。针对上述问题，目前的解决办法主要有包括电解液成分改性、电解液添加剂、功能化人工界面、3D高比表面结构以及亲锂材料复合结构等。上述办法虽然一定程度上解决了枝晶生长、体积无限变化和界面反应的问题，但或多或少都存在着成本高、制备工作繁冗等不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：本专利技术提供一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体及其制备方法，仅采用简单的电镀方法在以金属铜为一级骨架上制备次级骨架；以该多级骨架作为集流体，可起到为锂金属沉积提供沉积空间、均匀化界面锂离子流、抑制锂枝晶生长作用，使锂金属负极的循环稳定性和使用寿命大大提升。本专利技术的技术解决方案如下：一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，包含一级骨架以及设在所述一级骨架上的次级骨架。所述一级骨架包括以铜、铜锡合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜镍合金、铜铁合金、铜锰合金、铜铬合金、铜钛合金、铜铅合金、铜银合金、铜金合金、铜铂合金为材料制备出来的丝、线、箔、片、网、泡沫。所述次级骨架为电镀在一级骨架上的结构。所述的锂金属电池用负极多级铜骨架集流体的制备方法，包括如下步骤：S1：利用溶剂对一级骨架进行清洗，除去一级骨架表面杂质；S2：以一级骨架作为电镀体系的两极，将两极分开一定距离置于电镀液中，在两极上施加适当的电压并控制时间，作为阴极的一级骨架上电镀形成次级骨架得到多级铜骨架集流体；S3：将制备的多级铜骨架集流体取出，用去离子水反复冲洗，随后烘干即可。所述步骤S1中所使用的溶剂为甲醇、乙醇或丙酮中至少一种。所述步骤S2中施加电压范围为0.1-5V，优选电压为1-3V，最佳电压为2V。所述步骤S2中施加电压的时间为1-20分钟，优选时间为3-10分钟，最佳时间为5分钟。所述电镀液通过含铜电解质溶于酸溶液中配制得到。所述含铜电解质在电镀液中的的浓度为0.01-1mol/L，优选浓度为0.1-0.5mol/L，最佳浓度为0.5mol/L。所述酸溶液中酸浓度为0.01-2mol/L，优选浓度为0.1-1mol/L，最佳浓度为0.5mol/L。所述含铜电解质为硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、碳酸铜、碱式碳酸铜、碱式硫酸铜、醋酸铜、氧化铜、溴化铜、碘化铜中至少一种。所述酸溶液为硫酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液、醋酸溶液、碳酸溶液、溴酸、氢溴酸、氢碘酸中至少一种。本专利技术还提供一种锂金属二次电池，其内部包含有所述锂金属电池用负极多级铜骨架集流体。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用金属铜为一级骨架，利用电镀方法在一级骨架上制备次级骨架，以该多级骨架作为锂金属二次电池的集流体，为锂金属的沉积提供沉积空间、抑制锂枝晶生长、降低成核过电势。本专利技术提供的骨架材料广泛存在，价格便宜，成本低；本专利技术提供的制备方法广泛使用，机理简单、操作简便；本专利技术最有益之处在于：多级铜骨架集流体起到均匀化界面锂离子流、抑制锂枝晶生长、降低成核过电势作用。附图说明图1是本专利技术提供的制备方法所制备的锂金属电池用负极多级铜骨架集流体的SEM图。图2是对比例半电池的库伦效率图。图3是实施例1半电池的库伦效率图。图4是实施例2半电池的库伦效率图。图5是实施例3半电池的库伦效率图。图6是实施例4半电池的库伦效率图。具体实施方式下面用具体实施例对本专利技术做进一步详细说明，但本专利技术不仅局限于以下具体实施例。具体实施方式中，为了简便地测试本专利技术的有益效果，利用本专利技术所提供多级铜骨架集流体与锂金属组成铜锂半电池，利用蓝电测试系统对半电池的库伦效率进行测试。本专利技术所提供的多级铜骨架集流体不单在铜锂半电池中可以显示出有益效果，将其作为负极集流体与正极材料搭配组装成全电池亦可显示出有益效果，但在本专利技术中不详细介绍。半电池组装方式为扣式锂金属二次半电池组装，具体过程为手套箱充满纯度为99.999%的Ar气，手套箱水分含量和氧气含量控制在0.1ppm以下，温度为室温，半电池基本结构依次为：正极壳、正极集流体、界面保护结构、隔膜、锂片、垫片、弹片以及负极壳，电解液用量50μL。实施例1本实施例提供一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，包括一级骨架和次级骨架。一级骨架选用铜网。S1：利用溶剂对一级骨架进行清洗，除去一级骨架表面杂质。S2：以一级骨架作为电镀体系的两极，将两极分开一定距离置于电镀液中，在两极上施加适当的电压并控制时间，作为阴极的一级骨架上电镀形成次级骨架得到多级铜骨架集流体；S3：将制备的多级铜骨架集流体取出，用去离子水反复冲洗，随后烘干即可，其中，采用乙醇对一级骨架进行清洗；电镀液含铜电解质选用硫酸铜，浓度为0.1mol/L；电镀液酸溶液选用硫酸溶液，浓度为0.5mol/L；施加电压为1V，电压施加时间为5分钟；制备完成后取出多级铜骨架集流体用去离子水反复冲洗，随后烘干。将烘干后的集流体原片进行裁剪得所需尺寸集流体，按半电池组装工艺进行半电池组装，利用蓝电测试系统进行电池测试。实施例2本专利技术提供一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，包括一级骨架和次级骨架。一级骨架选用铜网。次级骨架制备方法如实施例1，其中，采用乙醇对一级骨架进行清洗；电镀液含铜电解质选用硫酸铜，浓度为0.15mol/L；电镀液酸溶液选用硫酸溶液，浓度为0.5mol/L；施加电压为2V，电压施加时间为5分钟；制备完成后取出多级铜骨架集流体用去离子水反复冲洗，随后烘干。将烘干后的集流体原片进行裁剪得所需尺寸集流体，按半电池组装工艺进行半电池组装，利用蓝电测试系统进行电池测试。实施例3本专利技术提供一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，包括一级骨架和次级骨架。一级骨架选用铜网。次级骨架制备方法如实施例1，其中，采用乙醇对一级骨架进行清洗；电镀液含铜电解质选用硫酸铜，浓度为0.15mol/L；电镀液酸溶液选用硫酸溶液，浓度为0.5m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，其特征在于，包含一级骨架以及设在所述一级骨架上的次级骨架。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，其特征在于，包含一级骨架以及设在所述一级骨架上的次级骨架。


2.根据权利要求1所述的锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，其特征在于，所述一级骨架包括以铜、铜锡合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜镍合金、铜铁合金、铜锰合金、铜铬合金、铜钛合金、铜铅合金、铜银合金、铜金合金、铜铂合金为材料制备出来的丝、线、箔、片、网、泡沫。


3.根据权利要求1所述的锂金属电池用负极多级铜骨架集流体，其特征在于，所述次级骨架为电镀在一级骨架上的结构。


4.一种权利要求1-3所述的锂金属电池用负极多级铜骨架集流体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：利用溶剂对一级骨架进行清洗，除去一级骨架表面杂质；
S2：以一级骨架作为电镀体系的两极，将两极分开一定距离置于电镀液中，在两极上施加适当的电压并控制时间，作为阴极的一级骨架上电镀形成次级骨架得到多级铜骨架集流体；
S3：将制备的多级铜骨架集流体取出，用去离子水反复冲洗，随后烘干即可。


5.根据权利要求4所述的锂金属电池用负极多级铜骨架集流体的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王木钦，彭哲，任飞鸿，林欢，李振东，任重民，王德宇，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33