集流体及其制备方法、电极及其制备方法技术

本申请提供了集流体及其制备方法、电极及其制备方法，该集流体包括三维基体和包覆于三维基体表面的亲锂包覆层，三维基体为三维导电骨架，亲锂包覆层具有多个密布的纳米颗粒，纳米颗粒包覆在在三维基体的表面。采用亲锂包覆层修饰三维基体，可作为锂金属的宿主材料，亲锂包覆层可促进锂金属在集流体表面均匀成核、沉积，防止锂枝晶的生长，三维基体的分级结构可为锂金属提供沉积、嵌入的空间；相邻两个纳米颗粒之间具有间隙，与三维基体的分级结构一起为锂金属沉积或循环过程中的体积膨胀提供空间，有效缓解锂金属体积膨胀，从而提高锂金属电极的循环稳定性；集流体具有大比表面积，可有效分散电流密度，调控均匀的锂沉积。调控均匀的锂沉积。调控均匀的锂沉积。

【技术实现步骤摘要】
集流体及其制备方法、电极及其制备方法


[0001]本申请属于锂电池
，更具体地说，是涉及一种集流体及其制备方法、电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池现在逐渐成为主要的能源存储装置，被广泛应用于无人机、手机、笔记本电脑及电动车等电子器件中。但锂离子电池用负极材料石墨，受其理论比容量(372mAh.g
‑1)的限制，影响了锂离子电池整体的能量密度。因此，需要开发具有更高能量密度的新型负极材料。而金属锂负极由于其极高的理论比容量(3860mAh.g
‑1)，最低的电化学电势(
‑
3.04Vvs标准氢电极)和低的重量密度(0.534g.cm
‑3)，被认为是极佳的锂电池负极材料。
[0003]然而，锂金属作为负极材料尚存在一些问题：(1)锂金属表面在不断的电沉积过程中，由于局部锂离子流的不均匀性，容易导致不均匀的锂沉积，进而产生树枝状的锂枝晶，容易刺破隔膜，造成电池短路，引起安全问题；(2)由于锂金属负极的无宿主本质，在反复的充放电过程中还会造成严重的体积膨胀与收缩的问题，导致电极/电解液界面膜的不断重构，降低了电池的库伦效率和循环寿命。
[0004]为解决以上问题，研究人员做了大量的努力，考虑到原始SEI膜(solid electrolyte interphase，固体电解质相界面膜)的较差的机械性能和化学不稳定性，科学家们对锂金属负极进行表面改性，以通过调节电解质来调控SEI膜的形成并抑制枝晶生长。如添加电解液添加剂、使用固态电解质和构筑人工SEI膜等。然而，由于锂金属负极的无宿主本质，这些方法都不能从根本上缓解锂金属负极在循环过程中的体积膨胀问题，最终还是会导致SEI膜的破裂。

技术实现思路

[0005]基于此，本申请的目的在于提供一种集流体及其制备方法，以解决现有技术中存在的以锂金属作为负极材料时，锂金属产生锂枝晶，刺破隔膜，以及锂金属体积膨胀，导致隔膜损坏的技术问题。
[0006]本申请的另一目的在于提供一种电极。
[0007]本申请的又一目的在于提供一种电极的制备方法。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本申请的技术方案如下：
[0009]一种集流体，包括三维基体和包覆于三维基体表面的亲锂包覆层，三维基体为三维导电骨架，亲锂包覆层具有多个密布的纳米颗粒，纳米颗粒包覆在三维基体的表面。
[0010]可选地，亲锂包覆层包括金属碳化物层和碳包覆层，金属碳化物层由若干金属碳化物颗粒形成，并结合于三维基体的表面，碳包覆层包覆于金属碳化物层的表面。
[0011]可选地，碳包覆层由直立石墨烯或无定形碳组成。
[0012]可选地，金属碳化物层的制备方法包括：采用含有金属离子的酸溶液和/或盐溶液
和三维基体的表面原位反应，在三维基体的表面生成金属碳化物层。
[0013]可选地，酸溶液包含钼、镍、铁、钴中的一种或多种；和/或，盐溶液包括钼、镍、铁、钴中的一种或多种。
[0014]可选地，酸溶液包括钼酸、磷钼酸、二烷基二硫代氨基甲钼酸中的一种或多种；和/或，盐溶液包括钼酸铵、硫代钼酸铵和钼镍杂多酸铵中的一种或多种。
[0015]可选地，三维基体为三维碳骨架。
[0016]以及，一种集流体的制备方法，包括以下步骤：
[0017]将三维基体表面进行功能化处理；
[0018]将功能化后的三维基体浸入含有金属离子的酸溶液和/或盐溶液中，超声，静置吸附，使三维基体吸附酸溶液和/或盐溶液中的金属离子和酸和/或盐；
[0019]取出吸附后的三维基体，洗涤、干燥处理；
[0020]将干燥后的三维基体在惰性气体的保护下进行热处理，使吸附的金属离子和酸和/或盐与三维基体的表面原位反应，于三维基体的表面生成金属碳化物层，获得集流体初产品；
[0021]将集流体初产品放置于反应炉中，通入碳源气体，通过等离子增强化学气相沉积，在金属碳化物层表面生成碳包覆层。
[0022]以及，一种电极，包括金属锂和上述任一所述的集流体，金属锂沉积于集流体的表面。
[0023]以及，一种电极的制备方法，包括以下步骤：
[0024]采用电化学沉积法或熔融灌注法将金属锂沉积于上述任一所述的集流体的表面。
[0025]1、本申请提供的集流体采用亲锂包覆层修饰三维基体，可作为锂金属的宿主材料，制作锂金属电极，亲锂包覆层可以促进锂金属在集流体表面均匀成核、沉积，防止锂枝晶的生长，三维基体的分级结构可为锂金属提供沉积、嵌入的空间；并且，亲锂包覆层的相邻两个纳米颗粒之间具有间隙，与三维基体的分级结构一起为锂金属沉积或循环过程中的体积膨胀提供空间，有效缓解锂金属体积膨胀，从而提高锂金属电极的循环稳定性；而且，本申请提供的集流体具有大比表面积，可以有效分散电流密度，调控均匀的锂沉积；采用三维基体与亲锂包覆层相结合的方法，解决了以往锂金属负极难以兼顾体相粉化与界面不均匀生长的难题，为锂金属负极的实际产业化提供了有效的解决途径；
[0026]2、本申请提供的集流体的制备方法，通过原位碳化结合物理增强等离子增强化学气相沉积手段对复合锂负极表面进行改性，亲锂包覆层的成分和厚度可控，有效延长锂负极的循环寿命；
[0027]3、本申请提供的电极，以金属锂作为电极材料，本申请提供的集流体作为锂金属的宿主材料，可有效防止锂枝晶生长，以及缓解锂金属体积膨胀，提高了电极的循环稳定性；
[0028]4、本申请提供的电极的制备方法，工艺简单，条件易控，适于工业化生产。
附图说明
[0029]下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0030]图1为本申请实施例1所提供未沉积锂的集流体的扫描电子显微镜图片；
[0031]图2为本申请实施例1所提供未沉积锂的集流体截面的扫描电子显微镜图片；
[0032]图3为本申请实施例1、对比例1和对比例2的电极在1mA.cm
‑2电流密度下的库伦效率对比图；
[0033]图4为本申请实施例1的电极的循环稳定性测试图；
[0034]图5为本申请实施例1和对比例1的三维碳布的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
[0035]为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0036]本申请实施例提供的一种集流体，包括三维基体和包覆于三维基体表面的亲锂包覆层，三维基体为三维导电骨架，亲锂包覆层具有多个密布的纳米颗粒，纳米颗粒包覆在三维基体的表面。
[0037]上述集流体采用亲锂包覆层修饰三维基体的表面，可作为锂金属的宿主材料，用于制作锂金属电极，亲锂包覆层可以促进锂金属在集流体表面均匀成核、沉积，防止锂枝晶的生长，三维基体的分级结构为锂金属提供沉积、嵌入的空间。并且，亲锂包覆层的多个纳米颗粒之间具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集流体，其特征在于：包括三维基体和包覆于所述三维基体表面的亲锂包覆层，所述三维基体为三维导电骨架，所述亲锂包覆层具有多个密布的纳米颗粒，所述纳米颗粒包覆在所述三维基体的表面。2.如权利要求1所述的集流体，其特征在于：所述亲锂包覆层包括金属碳化物层和碳包覆层，所述金属碳化物层为若干金属碳化物颗粒形成，并结合于所述三维基体的表面，所述碳包覆层至少是包覆于所述金属碳化物颗粒的表面。3.如权利要求2所述的集流体，其特征在于：所述碳包覆层由直立石墨烯或无定形碳组成。4.如权利要求2所述的集流体，其特征在于：所述金属碳化物层的制备方法包括：采用含有金属离子的酸溶液和/或盐溶液和所述三维基体的表面原位反应，在所述三维基体的表面生成所述金属碳化物层。5.如权利要求4所述的集流体，其特征在于：所述酸溶液包含钼、镍、铁、钴中的一种或多种；和/或，所述盐溶液包含钼、镍、铁、钴中的一种或多种。6.如权利要求4所述的集流体，其特征在于：所述酸溶液包括钼酸、磷钼酸、二烷基二硫代氨基甲钼酸中的一种或多种；和/或，所述盐溶液包括钼酸铵、硫代钼酸铵和...

【专利技术属性】
技术研发人员：程春，牛树章，王信，张启程，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：