一种三维金属基亲锂集流体、锂金属负极及锂金属电池制造技术

本申请实施例提供了一种三维金属基亲锂集流体、锂金属负极及锂金属电池，所述三维金属基亲锂集流体包括：三维金属基底，所述三维金属基底为有序的多孔结构；纳米银颗粒层，所述纳米银颗粒层通过低温超声辅助化学镀在所述三维金属基底的表面原位生成。本申请实施例提供的三维金属基亲锂集流体不仅能够缓解电荷的局部聚集以及锂沉积/剥离过程中因体积膨胀产生的应力效应，而且锚定在三维金属基底框架上的超细银纳米粒子能够显著降低锂离子形核势垒。另外，利用锂银合金的无限固溶效应和纳米尺寸优势，极大地缓解了由于应力引起修饰层剥落的负面影响。层剥落的负面影响。层剥落的负面影响。

【技术实现步骤摘要】
一种三维金属基亲锂集流体、锂金属负极及锂金属电池


[0001]本申请涉及负极材料
，具体地涉及一种三维金属基亲锂集流体、锂金属负极及锂金属电池。

技术介绍

[0002]锂金属作为负极具有超高的理论比容量(3860mAh g
‑1)，低密度(0.53g cm
‑3)和极低的电化学电位(
–
3.04V vs标准氢电极)，是一种极具前景的负极材料。然而,热力学不稳定的锂金属会与电解质反应形成固体电解质界面层(SEI)。SEI层具有电子绝缘，离子可导的性质。致密的SEI层能够防止电解液进一步分解，但锂金属在充/放电过程中相对无限的体积变化会破坏脆弱的SEI层，使电解液进一步分解，造成电池性能的急剧衰减，且破碎的SEI造成的锂离子分布不均会诱导枝晶形成，导致电池的短路失效。因此，锂金属电池想要得到实际应用，还有许多问题亟待解决。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本申请提供一种三维金属基亲锂集流体、锂金属负极及锂金属电池，以利于解决现有技术中锂金属作为负极性能较差的问题。
[0004]第一方面，本申请实施例提供了一种三维金属基亲锂集流体，包括：
[0005]三维金属基底，所述三维金属基底为有序的多孔结构；
[0006]纳米银颗粒层，所述纳米银颗粒层通过低温超声辅助化学镀在所述三维金属基底的表面原位生成。
[0007]在一种可能的实现方式中，所述三维金属基底为铜网、镍网、不锈钢网中的任意一种。
[0008]在一种可能的实现方式中，所述三维金属基底的网孔规格为100目～400目。
[0009]在一种可能的实现方式中，所述纳米银颗粒层的厚度为50～500纳米；所述纳米银颗粒层中单个纳米银颗粒的直径为50～500纳米。
[0010]第二方面，本申请实施例提供了一种三维金属基亲锂集流体的制备方法，包括：
[0011]将银源溶解水中再与络合剂混合，之后缓慢加入稳定剂获得溶液A，所述银源、所述络合剂和所述稳定剂的质量比为10:15～25:12～15；
[0012]将还原剂、分散剂均匀混合后溶解于水中获得溶液B，所述还原剂和所述分散剂的质量比为1～5：15～10；
[0013]将所述溶液A和所述溶液B以1:2的体积比快速混合获得溶液C；
[0014]在低温超声辅助条件下，将三维金属基底浸入所述溶液C中静置1～10min，获得第一方面任一项所述的三维金属基亲锂集流体；
[0015]其中，所述低温超声辅助条件中的温度为0～50℃，超声震荡功率10～100W。
[0016]在一种可能的实现方式中，所述银源为硝酸银、氟化银和氯酸银中的一种或两种以上的组合；所述络合剂为氨水；所述稳定剂为氢氧化钾；
[0017]在一种可能的实现方式中，所述还原剂为柠檬醛和草酸中的一种或其组合；所述分散剂为丙酮。
[0018]在一种可能的实现方式中，所述还原剂为质量比为9:1～8：1的柠檬醛和草酸的混合物。
[0019]第三方面，本申请实施例提供了一种锂金属负极，包括：第一方面任一项所述的三维金属基亲锂集流体；所述三维金属基亲锂集流体的表面在0.5～2mA cm
‑2的电流密度下沉积4～10mAh cm
‑2的锂金属。
[0020]第四方面，本申请实施例提供了一种锂金属电池，包括：第三方面所述的锂金属负极。
[0021]本申请实施例提供的三维金属基亲锂集流体不仅能够缓解电荷的局部聚集以及锂沉积/剥离过程中因体积膨胀产生的应力效应，而且锚定在三维金属基底框架上的超细银纳米粒子能够显著降低锂离子形核势垒。另外，利用锂银合金的无限固溶效应和纳米尺寸优势，极大地缓解了由于应力引起了修饰层剥落的负面影响。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0023]图1为本申请提供的一种三维金属基亲锂集流体的制备方法流程示意图；
[0024]图2为本申请提供的实施例1和对比例1的集流体的形貌图；
[0025]图3为本申请提供的实施例1和对比例1的集流体的锂金属沉积形貌图；
[0026]图4为本申请提供的实施例1、对比例1和对比例2三种集流体上的库伦效率图；
[0027]图5为本申请提供的实施例1和对比例3所组装的对称电池测试图；
[0028]图6为本申请提供的实施例1和对比例3所得的锂金属负极与磷酸铁锂正极组装成的全电池倍率性能测试图。
具体实施方式
[0029]为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
[0030]应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
[0031]在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0032]应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0033]针对现有技术中锂金属作为负极性能较差的问题，申请人经研究发现，由于三维金属基底框架独有的表面化学性质和孔道结构，复合锂金属负极能够有效降低局部电流密度，根据sand time
’
s方程，这能够延长负极锂金属界面处锂离子耗尽的时间，有效抑制枝晶的形成。同时，三维金属基底框架的孔道结构给锂转化反应过程中产生的体积变化提供了空间，缓解了锂沉积/剥离过程中由于体积膨胀造成的结构破坏，稳定了SEI。此外，结合表面亲锂性修饰，能够有效降低锂离子形核能垒，进一步匀化锂离子流，是一种极具应用前景的改性方式。下面结合具体实现方式进行详细说明。
[0034]本申请实施例提供了一种三维金属基亲锂集流体，包括：三维金属基底，三维金属基底为有序的多孔结构；纳米银颗粒层，纳米银颗粒层通过低温超声辅助化学镀在三维金属基底的表面原位生成。可理解，纳米银颗粒层即三维金属基底的修饰层，在本文的其它部分，该三维金属基亲锂集流体也可能被称为“改性集流体”。
[0035]三维金属基底的有序的多孔结构，可以在减小电流密度的同时，通过有序结构规整化电场分布。相反，若采用无序的多孔结构，虽然能够减小局部电流密度，但由于孔径大小和形状不一，导致局部的电场分布不均匀，没有从根本上解决电荷分布的问题。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维金属基亲锂集流体，其特征在于，包括：三维金属基底，所述三维金属基底为有序的多孔结构；纳米银颗粒层，所述纳米银颗粒层通过低温超声辅助化学镀在所述三维金属基底的表面原位生成。2.根据权利要求1所述的三维金属基亲锂集流体，其特征在于，所述三维金属基底为铜网、镍网、不锈钢网中的任意一种。3.根据权利要求2所述的三维金属基亲锂集流体，其特征在于，所述三维金属基底的网孔规格为100目～400目。4.根据权利要求1所述的三维金属基亲锂集流体，其特征在于，所述纳米银颗粒层的厚度为50～500纳米；所述纳米银颗粒层中单个纳米银颗粒的直径为50～500纳米。5.一种三维金属基亲锂集流体的制备方法，其特征在于，包括：将银源溶解水中再与络合剂混合，之后缓慢加入稳定剂获得溶液A，所述银源、所述络合剂和所述稳定剂的质量比为10:15～25:12～15；将还原剂、分散剂均匀混合后溶解于水中获得溶液B，所述还原剂和所述分散剂的质量比为1～5：15～10；将所述溶液A和所述溶液B以1:2的体积比快速混合获得溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：申来法，何举宏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：