一种碱金属复合负极及其一体化制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碱金属复合负极及其一体化制备方法，将预处理后的碳骨架与碱金属进行热压，在惰性气氛下，按照铜箔、碳骨架、碱金属、铜箔的顺序自下而上叠放，根据碱金属的熔点调节热压机工作参数，通过热压的方法将熔融的金属灌注到碳骨架中，除去上层铜箔，即得到碱金属、碳骨架及铜集流体一体化的复合负极；通过调节热压机的工作参数及三维碳骨架的厚度以实现对一体化金属负极厚度及金属含量的控制，制备流程快速简单；三维碳骨架能有效降低电流密度并诱导均匀的金属沉积，减缓枝晶的生成；此外，三维碳骨架能够抑制金属负极的无限大体积变化，增强金属负极的机械性能，实现提高金属电池的循环寿命与安全性的目的。提高金属电池的循环寿命与安全性的目的。提高金属电池的循环寿命与安全性的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种碱金属复合负极及其一体化制备方法


[0001]本专利技术属于金属电池制备
，具体涉及一种碱金属复合负极及其一体化制备方法。

技术介绍

[0002]现代社会的飞速发展使得电动汽车及大规模电网储能对锂离子电池的能量密度要求越来越高。然而，目前商用锂离子电池使用的石墨负极比容量正逐渐逼近其理论极限(372mAh g
‑1)，严重限制了电池能量密度的进一步突破，因此寻找可替代石墨的高比容量负极材料势在必行。
[0003]由于具有高的理论容量和较低的电化学电位，碱金属电极(如：锂、钠、钾等)被认为有望取代石墨负极，有效提高电池的能量密度。但金属负极在循环过程中普遍存在不受控制的枝晶，导致隔膜刺穿而出现严重的安全问题，这也是日本NEC公司在上世纪90年代放弃锂金属电池商业发展的主要原因。此外，金属负极在循环过程中存在巨大的体积变化易导致电极表面SEI膜破裂，暴露出的新鲜金属与电解液持续反应，从而加剧枝晶的生长，促进活性金属阳极和有限电解液的消耗，并造成电池严重的容量衰减。同时，枝晶可能从根部或中间断裂，与电极失去电接触导致库伦效率的进一步降低，最终金属电池失效。
[0004]除此之外，金属电池中金属负极过量仍是目前关键且尚未完全解决的问题。在实现金属电池商业化应用的过程中，亟需制备薄的金属负极工艺以实现在电池循环寿命内保持电极的金属活性。以锂金属电池为例，实际的锂金属电池需要面容量4mAh cm
‑2的锂金属负极以匹配正极材料(面容量为3～4mAh cm
‑2)，20μm厚的锂金属即可满足需求。然而，我国目前使用的锂箔多由挤压法或轧制法制得，厚度一般为200μm，理论容量达到了40mAh cm
‑2以上，过多的锂不仅造成资源浪费而且会带来严重的安全隐患。此外，通过电化学沉积法和真空蒸发法制备的锂金属负极厚度虽符合要求但成本过高，限制了其实用性。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碱金属复合负极及其一体化制备方法，通过调节热压机的工作参数及三维碳骨架的厚度以实现对一体化金属负极厚度及金属含量的控制，制备流程快速简单，成本低廉。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种碱金属复合负极一体化制备方法，在惰性气氛下，按照自下而上的顺序，依次叠放铜箔，碳骨架，碱金属和铜箔，通过热压处理方法将熔融的金属灌注到碳骨架中，得到碱金属、碳骨架及铜集流体一体化的碱金属复合负极。
[0008]具体的，碳骨架材料的厚度为20～360μm，孔隙率为40％～90％。
[0009]具体的，热压处理方法前，先对碳骨架材料进行超声清洗和烘干处理。
[0010]进一步的，使用无水乙醇进行超声清洗，超声清洗时间为5～30分钟。
[0011]进一步的，烘干处理的温度为80～100℃，时间为30～60分钟。
[0012]具体的，碳骨架材料为碳纸、碳布、碳毡或碳化纤维中的一种。
[0013]具体的，碱金属为锂、钠和钾中的一种或多种。
[0014]具体的，热压处理的温度为70～400℃，压力为10～30MPA，加压后保持10～30秒。
[0015]本专利技术的另一技术方案是，一种碱金属复合负极。
[0016]具体的，碱金属复合负极的厚度为20～360μm，面容量为2.7～40mAh/cm2。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0018]一种碱金属复合负极一体化制备方法，利用碳骨架的高导电性和高比表面积促进电子转移，降低负极电极表面局部电流密度，进而诱导均匀的金属沉积、剥离，以达到抑制枝晶形成的效果；三维骨架能够减小金属负极在沉积/剥离过程中巨大的体积变化，提升电池的安全性与使用寿命；一体化制备流程增加了集流体与金属的结合度，省去了金属负极贴合集流体的步骤，方便大规模制作软包电池等储能单体，制备工艺方便快捷且成本低廉；此外，上层铜箔在热压后能够带走碳骨架上多余的金属，冲洗处理后即可重复利用，进一步降低了制备成本；与现有的商业化碱金属负极的制备工艺相比，成本大幅降低，适合大规模的商业化生产，应用前景广阔，有助于金属电池高能量密度的突破
[0019]进一步的，根据所匹配的正极材料的面容量确定复合材料需要的面容量，选择适用的碳基材料厚度与孔隙率。相同孔隙率下，碳骨架材料的厚度越大，骨架内能容纳的碱金属越多；相同厚度的碳骨架，孔隙率越高，骨架内能容纳的碱金属越多。
[0020]进一步的，超声清洗的方法清洗速度快、效率高，无需借助强清洁性的化学试剂进行清洗。通过非接触的振动清洗方法，使孔隙众多的碳骨架材料得到充分清洁。烘干处理使清洗溶剂充分挥发，避免与碱金属发生反应。
[0021]进一步的，无水乙醇能够去除一些去离子水无法去除的脂溶性物质。同时，无水乙醇挥发速度快，能有效缩短烘干时间，提高碳骨架材料预处理速度。
[0022]进一步的，无水乙醇的沸点为78℃，烘箱的高温环境能够加快乙醇的挥发速度，在1小时内使碳骨架表面的乙醇完全挥发。
[0023]进一步的，碳骨架材料具有三维结构、良好的灵活性、良好的导电性、廉价、强大的支撑性等特点，是碱金属负极支撑基底的理想选择。
[0024]进一步的，碱金属(如：锂、钠、钾等)易于获取，具有高的理论容量和较低的电化学电位，被认为有望取代石墨负极，有效提高电池的能量密度。
[0025]进一步的，通过调节热压机的工作参数，实现对致密均匀复合负极金属含量的灵活控制。
[0026]综上所述，本专利技术方法工艺简单，成本低廉，实现提高金属电池的循环寿命与安全性的目的。
[0027]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0028]图1为实施例1中乙醇超声清洗预处理得到的碳纸表面的电子扫描显微镜图像；
[0029]图2为实施例2中乙醇超声清洗预处理得到的碳化PI纤维表面的电子扫描显微镜图像；
[0030]图3为实施例3中锂、碳毡及铜集流体一体化锂金属负极的光学照片；
[0031]图4为实施例4中钠、碳纸及铜集流体一体化钠金属负极的光学照片；
[0032]图5为实施例5中锂、碳化PI纤维及铜集流体一体化锂金属负极的电子扫描显微镜图像，其中(a)为一体化负极的表面形貌，(b)为一体化负极的截面形貌；
[0033]图6为实施例6中锂、碳毡及铜集流体一体化锂金属负极的电子扫描显微镜图像，其中(a)为一体化负极的表面形貌，(b)为一体化负极的截面形貌；
[0034]图7为实施例7中锂、碳纸及铜集流体一体化锂金属负极的电子扫描显微镜图像，其中(a)为一体化负极的表面形貌，(b)为一体化负极的截面形貌；
[0035]图8为用实施例8中锂、碳纸及铜集流体一体化锂金属负极组装半电池，测试一体化负极锂金属含量的电压
‑
容量曲线；
[0036]图9为用实施例8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱金属复合负极一体化制备方法，其特征在于，在惰性气氛下，按照自下而上的顺序，依次叠放铜箔，碳骨架，碱金属和铜箔，通过热压处理方法将熔融的金属灌注到碳骨架中，得到碱金属、碳骨架及铜集流体一体化的碱金属复合负极。2.根据权利要求1所述的碱金属复合负极一体化制备方法，其特征在于，碳骨架材料的厚度为20～360μm，孔隙率为40％～90％。3.根据权利要求1所述的碱金属复合负极一体化制备方法，其特征在于，热压处理方法前，先对碳骨架材料进行超声清洗和烘干处理。4.根据权利要求3所述的碱金属复合负极一体化制备方法，其特征在于，使用无水乙醇进行超声清洗，超声清洗时间为5～30分钟。5.根据权利要求3所述的碱金属复合负极一体化制备方法，其特征在于，烘干...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈逸菲，王凯铭，沈飞，韩晓刚，张亮，刘家伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：