一种表面改性碳布3D骨架的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于锂金属电池材料领域，特别是涉及一种表面改性碳布3D骨架的制备方法及其应用。本发明专利技术提供了一种表面改性碳布3D骨架的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：1)亲水碳布的制备：2)改性碳布的制备。本发明专利技术以经常使用的碳布集流体作为3D骨架，导电性好，韧性强，可以有效控制锂金属的体积变化，降低电流密度，并且对其进行了表面改性过程中并未引入过多非活性物质，实现了3D骨架性能的提升。实现了3D骨架性能的提升。实现了3D骨架性能的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种表面改性碳布3D骨架的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于锂金属电池材料领域，特别是涉及一种表面改性碳布3D骨架的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，对下一代高能量可充电锂电池的开发提出了迫切的要求。金属锂因其极高的理论容量(3860mAh g
‑1)、较低的标准电化学电位(
‑
3.04Vvs.SHE)和优异的本征电导率而成为阳极材料的最终选择。然而，由于树枝晶生长不受控制、体积膨胀相对无限、副反应严重等问题，金属锂阳极的商业化一直受到阻碍。在这些挑战中，树突生长被认为是最重要的障碍。树枝晶容易穿透隔膜，造成短路、热失控、起火甚至爆炸。此外，树突很容易与电解质发生反应，不可逆地消耗活性物质。锂枝晶溶解不均匀所导致的死锂将进一步降低电池寿命。
[0003]锂金属电池存在的各种问题亟待解决，现如今的研究开发者通常采用以下几个方法来解决锂金属电池所存在的问题：电解液中加入添加剂、制备人工SEI膜、使用高强度的固态电解质以及隔膜改性等方法。
[0004]设计功能性三维(3D)框架主体被认为是抑制锂枝晶生长的可行途径。这些三维框架主体的应用不仅降低了电流密度分布的不均匀性，而且为锂金属灌注提供了空间，限制了在剥镀锂过程中的体积变化。然而，大多数3D框架主体表现出疏锂特性。因此，迫切需要通过亲锂层修饰框架表面，实现热灌注策略在三维骨架主体上的大规模应用。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种银掺杂二氧化锰包覆的碳布/锂金属复合电极的制备方法和应用。本专利技术的目的在于提供一种抑制锂枝晶生长，提高锂金属负极长循环稳定性和高倍率性能的具有二级结构的锂金属电池用3D集流体其制备方法及其应用。本专利技术采用真空水热法，在碳布表面生长一层亲锂的银掺杂二氧化锰纳米片。该3D集流体具有较大的比表面积、锂离子扩散系数以及优秀的电导率，表现出优秀的长循环稳定性能和高倍率性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种表面改性碳布3D骨架的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0008]1)亲水碳布的制备：
[0009]使用硝酸浸泡碳布得到亲水碳布；
[0010]2)改性碳布的制备：
[0011]将亲水碳布置于硝酸银和高锰酸钾混合溶液中，通过水热法使亲水碳布表面生成高亲锂性的银掺杂二氧化锰纳米片得到表面改性碳布3D骨架。
[0012]优选的，所述步骤1)中的硝酸浓度为98％；
[0013]待浸泡结束后先用去离子水超声清洗碳布，再用去离子水反复冲洗碳布，在50℃干燥后得到亲水碳布。
[0014]优选的，所述步骤2)中的水热法的操作步骤包括：在真空烘箱中加热至100℃；
[0015]所述硝酸银和高锰酸钾混合溶液为：每70mL去离子水中加入0.4mmol高锰酸钾和0.08mmol硝酸银。
[0016]本专利技术提供了上述表面改性碳布3D骨架在制备复合锂金属电池用负极材料中的应用。
[0017]本专利技术还提供了一种复合锂金属电池用负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0018]将锂金属和上述制备方法制备得到的表面改性碳布3D骨架置于充满高纯氩气的手套箱中进行电沉积，待锂金属沉积入碳布3D骨架结构中后得到半电池，将半电池转移至手套箱中进行拆解获得复合锂金属电池用负极材料。
[0019]优选的，所锂金属沉积的容量为25mAh cm
‑2；
[0020]所述高纯氩气的水氧值小于0.1ppm。
[0021]本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的复合锂金属电池用负极材料在一次电池、二次电池、全电池和对称电池中的应用。
[0022]优选的，在所述应用中，
[0023]当组装对称电池时，所述对称电池的正负极的电极片均为所述复合锂金属电池用负极材料；
[0024]当组装全电池时，所述全电池的正极材料包括涂覆LiFePO4(LFP)的铝箔集流体作为复合电极，所述全电池的负极材料为所述复合锂金属电池用负极材料。
[0025]优选的，所述组装电池中，所述对称电池和全电池的组装均发生在充满氩气的手套箱中；
[0026]所述氩气为高纯度氩气；
[0027]当组装时，对称电池的电解液为将1mol的LiTFSI溶于1L的DME:DOL混合溶液的液体；
[0028]所述DME:DOL混合溶液包括DME、DOL和LiNO3；所述DME和DOL的体积比为1:1，LiNO3的质量百分比为2％；
[0029]当组装全电池时，全电池的电解液为将1mol的LiPF6溶于1L的EC:DEC混合溶液的液体；
[0030]所述EC:DEC混合溶液包括EC和DEC；所述EC和DEC的体积比为1:1。
[0031]优选的，所述对称电池和全电池使用的隔膜均为聚丙烯隔膜。
[0032]进一步的，在本专利技术中，所述制备方法包括如下步骤：
[0033]1)先用浓硝酸浸泡处理碳布，去除碳布表面的杂质，并且使碳布获得较好的亲水性。
[0034]2)配置硝酸银和高锰酸钾混合溶液用作水热反应的介质。
[0035]3)通过真空水热法在硝酸银和高锰酸钾混合溶液中，使碳布表面生成一层亲锂的银掺杂二氧化锰纳米片。
[0036]4)将获得的银掺杂二氧化锰纳米片修饰的碳布清洗干燥待用。
[0037]步骤1)中，所述碳布为商业化碳布，碳布尺寸为10
×
10cm，厚度为0.5mm。使用50mL浓度为98％的浓硝酸，超声清洗时间为10min。
[0038]步骤2)中,溶剂为去离子水，70mL去离子水、0.08mmol硝酸银、0.4mmol高锰酸钾，混合溶液搅拌20min。
[0039]步骤3)中，真空水热处理时间为150min，温度为100℃。
[0040]步骤4)中，干燥温度为50℃，干燥时间为1小时。
[0041]本专利技术除了提供了上述表面改性碳布3D集流体外，还提供了一种复合锂金属电池用负极材料的制备方法，锂金属的嵌入法为电沉积法。
[0042]上述锂金属电池负极的制备方法，由上述表面改性碳布3D骨架直接进行电沉积后制得。
[0043]进一步，将锂金属和表面改性碳布3D骨架进行复合时，所述复合是通过组装半电池进行电沉积后制得，通过电沉积被沉入碳布3D骨架结构中，沉积完成后半电池拆解过程及之后步骤在充满氩气手套箱中进行，组装成对称电池和全电池。
[0044]进一步，所述对称电池电解液为1M LiTFSI(DME:DOL＝1：1)，全电池电解液为1M LiPF6(EC:DEC＝1：1)。
[0045]本专利技术保护通过所述制备方法制备的锂金属电池用负极3D集流体应用于一次或二次电池中的用途。
[0046]本专利技术与现有技术产品相比较具有以下优点和有益效果：本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面改性碳布3D骨架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)亲水碳布的制备：使用硝酸浸泡碳布得到亲水碳布；2)改性碳布的制备：将亲水碳布置于硝酸银和高锰酸钾混合溶液中，通过水热法使亲水碳布表面生成高亲锂性的银掺杂二氧化锰纳米片得到表面改性碳布3D骨架。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的硝酸浓度为98％；待浸泡结束后先用去离子水超声清洗碳布，再用去离子水反复冲洗碳布，在50℃干燥后得到亲水碳布。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的水热法的操作步骤包括：在真空烘箱中加热至100℃；所述硝酸银和高锰酸钾混合溶液为：每70mL去离子水中加入0.4mmol高锰酸钾和0.08mmol硝酸银。4.权利要求1～3任一项所述的表面改性碳布3D骨架在制备复合锂金属电池用负极材料中的应用。5.一种复合锂金属电池用负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将锂金属和权利要求1～3任一项制备方法制备得到的表面改性碳布3D骨架置于充满高纯氩气的手套箱中进行电沉积，待锂金属沉积入碳布3D骨架结构中后得到半电池，将半电池转移至手套箱中进行拆解获得复合锂金属电池用负极材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所锂金属沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东玮，王康，王玮杰，许冠辰，姜晓萍，梁秀，刘国然，
申请(专利权)人：山东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：