一种三维多孔集流体的制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种三维多孔集流体的制备及其装配的固态电池，涉及固态电池技术领域。本发明专利技术所述的三维多孔集流体的制备方法，包括如下步骤：(1)利用电沉积法制备泡沫铜；(2)利用电镀法处理泡沫铜制备三维多孔铜集流体。与现有技术相比，本发明专利技术电镀后在原本光滑平整的铜骨架上覆盖了一层结构疏松的枝晶，枝晶交叠生长，产生了大量的微孔，这些孔隙的存在将为锂离子提供足够的容纳空间，并进一步降低电流密度，减缓枝晶锂和死锂的形成。结果再次证明，与二维结构相比，三维多孔集流体对枝晶锂和死锂的生长具有明显的抑制作用。锂的生长具有明显的抑制作用。

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔集流体的制备和应用


[0001]本专利技术涉及固态电池
，具体涉及一种三维多孔集流体的制备及其装配的固态电池。

技术介绍

[0002]金属锂自身具有最负的电极电势，达到了
‑
3.04V Vs H
+
/H2，较低的密度(0.53g cm
‑3)和极高的理论比容量(3860mAh g
‑1)，是当前最具有前景的锂离子电池负极材料。
[0003]然而，锂金属负极同样存在诸多问题:(1)锂枝晶生长导致严重安全和能量损耗问题；(2)金属锂负极体积和形态变化诱发的SEI膜不稳定性问题；(3)SEI膜对Li和电解质的不断消耗导致内阻增加和循环寿命缩短等问题。现已有研究报道，使用固态电解质构建固态电池可避免液体电解质中发生持续的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。
[0004]但使用固体电解质的方法只能在一定程度上缓解锂枝晶带来的危害。集流体作为金属锂负极沉积/脱出的主要基底，其表面性质对金属锂负极的循环稳定性起着至关重要的作用。其中，集流体表面的局部电流密度对金属锂的电沉积形貌具有重要影响，降低局部电流密度或者优化电场分布有利于抑制金属锂枝晶的形成。
[0005]铜集流体是目前商业化的锂离子电池负极集流体，其对金属锂化学稳定高，导电性良好，结构简单可控，制备工艺成熟，是金属锂在三维集流体中沉积溶解行为的理想介质。多孔结构的引入所产生的高比表面积可以有效降低电流密度，缓解枝晶锂的生长，同时可为锂离子的沉积提供成核位点以及体积膨胀的缓冲空间。
[0006]基于上述理由，提出本申请。

技术实现思路

[0007]本申请的目的在于提供一种用于固态电池的三维集流体及其制备方法和锂电池负极和全固态电池，旨在一定程度上解决现有锂电池负极集流体库伦效率低、工作稳定性差、循环寿命低的问题。
[0008]为了实现本专利技术的上述第一个目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种三维多孔集流体的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)利用电沉积法制备泡沫铜；
[0011](2)利用电镀法处理泡沫铜制备三维多孔铜集流体。
[0012]进一步地，上述技术方案，步骤(1)中利用电沉积法制备泡沫铜包括预处理步骤、化学镀铜步骤、电镀铜步骤和烧结还原步骤。
[0013]优选地，上述技术方案，所述预处理步骤包括：除油步骤、粗化步骤、敏化步骤、活化步骤、解胶步骤。
[0014]较优选地，上述技术方案，所述除油步骤具体是将聚氨酯泡沫放入除油溶液中恒温50
‑
55℃超声清洗8
‑
10min后取出。
[0015]较优选地，上述技术方案，所述粗化步骤采用的粗化液包括硫酸和三氧化铬；其中：所述粗化液中硫酸的浓度为500g/L
‑
600g/L；三氧化铬的浓度为250g/L
‑
350g/L。
[0016]较优选地，上述技术方案，所述粗化步骤采用的粗化温度为35
‑
40℃，粗化时间为5
‑
8min。
[0017]较优选地，上述技术方案，所述敏化步骤采用的敏化液的主要成分是氯化亚锡和盐酸；所述敏化温度为45
‑
50℃，敏化时间为4
‑
6min。
[0018]较优选地，上述技术方案，所述活化步骤是将敏化过后的材料置于活化液中，调节活化液的温度至35
‑
40℃，浸泡5
‑
7min后取出。
[0019]优选地，上述技术方案，所述化学镀铜步骤采用甲醛做还原剂，采用的镀液主要成分为硫酸铜，控制镀液温度为30
‑
35℃。
[0020]优选地，上述技术方案，所述电镀铜步骤具体是将化学镀铜后的聚氨酯泡沫作为阴极，铜盐溶液作电解液，金属铜板作为阳极，接通直流电源后，在泡沫上沉积出金属铜镀层。
[0021]优选地，上述技术方案，所述烧结还原步骤中烧结的目的是将聚氨酯泡沫中存在的聚氨酯有机体高温分解，所述还原的目的是将烧结过程中生成的氧化铜还原成铜单质，并且进一步提高泡沫铜的整体强度。
[0022]优选地，上述技术方案，所述还原退火优选在H2气氛下、650
‑
750℃温度下进行。
[0023]进一步地，上述技术方案，步骤(2)中利用电镀法处理泡沫铜制备三维多孔铜集流体的具体工艺如下：将洁净干燥的泡沫铜作为阴极，铂金电极作为阳极，分别连接在恒流电流的两侧，然后进行电镀反应；反应完成后，洗涤，烘干，得到三维多孔铜集流体。
[0024]本专利技术的第二个目的在于提供上述所述方法制备得到的三维多孔铜集流体。
[0025]本专利技术的第三个目的在于提供上述所述方法制备的三维多孔铜集流体在制备金属锂负极中的应用。
[0026]一种二次电池用金属锂负极，包括上述所述三维多孔铜集流体，以及分散在多孔铜孔隙中的金属锂。
[0027]本专利技术的第四个目的在于提供上述所述金属锂负极在组装成固态金属锂二次电池中的应用。
[0028]一种固态金属锂二次电池，包括金属锂负极、固态电解质和正极，其中：所述的金属锂负极为上述所述二次电池用金属锂负极。
[0029]与现有技术相比，本专利技术所达到的技术效果是：
[0030]本专利技术电镀后在原本光滑平整的铜骨架上覆盖了一层结构疏松的枝晶，枝晶交叠生长，产生了大量的微孔，这些孔隙的存在将为锂离子提供足够的容纳空间，并进一步降低电流密度，减缓枝晶锂和死锂的形成。结果再次证明，与二维结构相比，三维多孔集流体对枝晶锂和死锂的生长具有明显的抑制作用。
附图说明
[0031]图1为在电流密度为1mA/cm2，总比容量为1mAh/cm2的测试条件下，对平面铜箔、实施例1步骤(一)制备的多孔泡沫铜以及实施例1步骤(二)制备的电镀泡沫铜进行锂沉积的库伦效率比较结果图；其中：附图中二维铜箔负极指的是进行锂沉积的平面铜箔，泡沫铜负
极指的是进行锂沉积的实施例1步骤(一)制备的多孔泡沫铜，电镀泡沫铜负极指的是进行锂沉积的实施例1步骤(二)制备的电镀泡沫铜。
具体实施方式
[0032]下面通过实施案例对本专利技术作进一步详细说明。本实施案例在以本专利技术技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本专利技术具有创造性，但本专利技术的保护范围不限于以下的实施案例。
[0033]根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本专利技术的精确描述进行各种改变。应该理解，本专利技术的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本专利技术的特定方面。
[0034]为了更好地理解本专利技术而不是限制本专利技术的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔集流体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)利用电沉积法制备泡沫铜；(2)利用电镀法处理泡沫铜制备三维多孔铜集流体。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中利用电沉积法制备泡沫铜包括预处理步骤、化学镀铜步骤、电镀铜步骤和烧结还原步骤。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述预处理步骤包括：除油步骤、粗化步骤、敏化步骤、活化步骤、解胶步骤。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电镀铜步骤具体是将化学镀铜后的聚氨酯泡沫作为阴极，铜盐溶液作电解液，金属铜板作为阳极，接通直流电源后，在泡沫上沉积出金属铜镀层。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中利用电镀法处理泡沫铜制备三维多孔铜集流体的具体工艺如下：将洁净干燥的泡沫铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴中华，
申请(专利权)人：深圳市新固能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：