一种无负极锂金属电池、其负极集流体及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种无负极锂金属电池、其负极集流体及制备方法，负极集流体，包括负极集流体基体以及负载在负极集流体基体上的离子导电层、电子导体层或离子‑电子混合导体层。本发明专利技术制备的负极集流体，具备较好的亲锂特性，或是可以与锂合金化有较低的形核壁垒，或是可形成离子导体，形成稳定的亲锂SEI层，而有效改善锂沉积形貌，或是可形成混合离子导体，多方面调控锂的均匀沉积，最终可实现均匀地锂沉积和高的电镀/剥离效率，有效改善无负极电池的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种无负极锂金属电池、其负极集流体及制备方法
本专利技术属于无枝晶金属负极制备
，具体涉及一种无负极锂金属电池、其负极集流体及制备方法，该无负极锂金属电池具有高安全、无枝晶及高能量密度等优势。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。基于当前对绿色、高效、实用的储能材料的迫切需求，长寿命、高安全、高容量的二次储能可充放电电池的开发迫在眉睫。高能量密度的金属负极(如锂，锌，钠，钾)因其高的理论比容量(如锂金属负极理论比容量3860mAhg-1，锌的体积理论比容量5580mAhcm-3)非常有前途，然而在实际应用中，存在电镀/剥离可逆性差、库伦效率低以及不可控有害枝晶生长等严峻的问题，而且基于这些金属负极的电池能量密度因为利用率远远低于实际使用量而使得电池实际能量密度远远低于理论值。因此，开发高性能的无负极电池是高能量密度电池的终极解决方案。无负极电池的构成为：负极集流体/隔膜或电解质/富锂正极/正极集流体。尽管无负极锂金属电池具备高的能量密度，然而专利技术人发现，目前无负极电池的循环寿命较短，短的循环寿命限制了其实际应用。
技术实现思路
针对上述所存在的问题，本专利技术提出了一种无负极锂金属电池、其负极集流体、制备方法及应用。为解决以上技术问题，本专利技术的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种无负极锂金属电池负极集流体，包括负极集流体基体以及负载在负极集流体基体上的离子导电层、电子导体层或离子-电子混合导体层。第二方面，本专利技术提供所述无负极锂金属电池负极集流体的制备方法，包括如下步骤：在负极集流体基体上负载亲锂的离子导电层、电子导体层或离子-电子混合导体层。第三方面，本专利技术提供一种无负极锂金属电池，其包括所述负极集流体。与现有技术相比，本专利技术的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：(1)本专利技术制备的负极集流体，具备较好的亲锂特性，或是可以与锂合金化有较低的形核壁垒，或是可形成离子导体，形成稳定的亲锂SEI层，而有效改善锂沉积形貌，或是可形成混合离子导体，多方面调控锂的均匀沉积，最终可实现均匀地锂沉积和高的电镀/剥离效率，有效改善无负极电池的循环性能。(2)本专利技术制备的无负极负极集流体所采用的的制备方法，通用性强，可制备出多种类型的亲锂层，提供了几种有效制备无负极集流体的策略。另外，本专利技术的这种制备方法具有可规模化制备，反应过程无毒无污染的技术优势，成本低廉，操作简便。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术实施例1制备得到的Cu@MXene的SEM图，显示了一层明显的MXene膜。图2为本专利技术实施例1制备得到的Cu@MXene负极集流体在200周电镀/剥离之后的SEM图，显示了无枝晶的微观结构。图3为本专利技术实施例1制备的Cu@MXene作为负极集流体时，无负极锂金属电池的循环性能。图4为本专利技术对比例1商用铜箔作为负极集流体时，无负极锂金属电池的循环性能。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。第一方面，本专利技术提供一种无负极锂金属电池负极集流体，包括负极集流体基体以及负载在负极集流体基体上的离子导电层、电子导体层或离子-电子混合导体层。在一些实施例中，所述负极集流体基体为铜箔、钛箔、镍网、不锈钢箔或碳布。在一些实施例中，所述离子导电层为Mxene层或石墨烯层。进一步的，所述Mxene层为Ti3C2Tx、V2CTx、Nb2CTx或Ti2CTx。在一些实施例中，所述电子导电层的材料选自镓、铟、汞齐、镓铟锡锌中的一种或多种；或，所述电子导电层的材料选自金、银、氧化锌、氧化钛中的一种或多种。镓、铟、汞齐、镓铟锡锌等均为低熔点液态金属。在一些实施例中，所述离子-电子混合导体层的材料为金属-氟化锂、金属-碘化锂或金属-磷化锂材料。进一步的，所述金属为锑、锡、铝、锡、锌、铋、镓或铟中的一种或多种的混合物。进一步的，所述氟化物为氟化锑、氟化锡、氟化铝、氟化亚锡、氟化锌、氟化铋、氟化镓、氟化铟中的一种或多种的混合物。进一步的，所述碘化物为碘化锑、碘化锡、碘化锌、碘化铋、碘化镓、碘化铟中的一种或多种的混合物。第二方面，本专利技术提供所述无负极锂金属电池负极集流体的制备方法，包括如下步骤：在负极集流体基体上负载亲锂的离子导电层、电子导体层或离子-电子混合导体层。在一些实施例中，离子导电层的制备方法为采用自组装法构筑亲锂骨架。进一步的，其制备方法具体为：将酸处理后的负极集流体基体浸泡在MXene或石墨烯的胶体溶液中设定时间，即得。更进一步的，浸泡时间为30-60min。由于MXene和石墨烯表面终端的官能团带负电，依靠静电自组装特性，在浸泡30min至60min之后，在铜箔表面自组装上一层薄薄的亲锂骨架层。在一些实施例中，电子导体层的制备方法为涂布法或磁控溅射法。进一步的，镓、铟、汞齐或镓铟锡锌的电子导体层采用涂布法制备。进一步的，金、银、氧化锌或氧化钛的电子导体层采用磁控溅射法制备。在一些实施例中，离子-电子混合导体层的制备方法为：将负极集流体基体浸泡于金属氟化物、金属碘化物或金属磷化物的溶液中设定时间，即得。进一步的，所述容液的溶剂选自去离子水、乙醇、乙二醇、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯中的一种或多种的混合物。进一步的，浸泡时间为5-20min。第三方面，本专利技术提供一种无负极锂金属电池，其包括所述负极集流体。实施例1一种高安全、无枝晶、高能量密度无负极锂金属电池的制备方法和应用，包括如下步骤：第一步就是在铜箔上自组装原位生成一层亲锂MXene骨架制备Cu@MXene负极集流体，具体的制备步骤主要包括：(1)用乙醇、1MHCl、去离子水连续清洗铜箔，备用；(2)制备MXene胶体溶液：取MAX相材料Ti3AlC20.5g，刻蚀剂选用盐酸和氟化锂，在35℃下刻蚀24小时，然后将获得粉末用去离子水离心洗涤，以除去多余的酸残留物，后加水继续分散，并摇晃剥离，得到Ti3C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无负极锂金属电池负极集流体，其特征在于：包括负极集流体基体以及负载在负极集流体基体上的离子导电层、电子导体层或离子-电子混合导体层。/n

【技术特征摘要】
1.一种无负极锂金属电池负极集流体，其特征在于：包括负极集流体基体以及负载在负极集流体基体上的离子导电层、电子导体层或离子-电子混合导体层。


2.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池负极集流体，其特征在于：所述负极集流体基体为铜箔、钛箔、镍网、不锈钢箔或碳布；
在一些实施例中，所述离子导电层为Mxene层或石墨烯层；
进一步的，所述Mxene层为Ti3C2Tx、V2CTx、Nb2CTx或Ti2CTx。


3.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池负极集流体，其特征在于：所述电子导电层的材料选自镓、铟、汞齐、镓铟锡锌中的一种或多种；
或，所述电子导电层的材料选自金、银、氧化锌、氧化钛中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池负极集流体，其特征在于：所述离子-电子混合导体层的材料为金属-氟化锂、金属-碘化锂或金属-磷化锂材料。


5.根据权利要求4所述的无负极锂金属电池负极集流体，其特征在于：所述金属为锑、锡、铝、锡、锌、铋、镓或铟中的一种或多种的混合物。


6.权利要求1-5任一所述无负极锂金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
在负极集流体基体上负载亲锂的离子导电层、电...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯金奎，田园，安永灵，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37