一种无锂负极极片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种无锂负极极片及其制备方法和应用。本发明专利技术的无锂负极极片包括集流体、在集流体表面的3D亲锂层、在3D亲锂层表面的缓冲层；所述3D亲锂层为改性CuO纳米阵列；改性CuO纳米阵列包括CuO纳米阵列，以及分布于CuO纳米阵列内部和/或表面的螯合物、吸附于CuO纳米阵列表面的有机物界面层中的至少一种；缓冲层包括碳材料、具有亲锂功能的金属或金属氧化物和粘结剂。本发明专利技术的无锂负极极片通过在铜箔表面构建3D亲锂层结构，可有效提高集流体比表面积，缓解锂脱嵌过程中引起的体积膨胀，减小局部电流密度，促进锂的均匀沉积；缓冲层的搭建有效避免循环过程中体积膨胀造成亲锂层与缓冲层的分离，造成电池性能下降，制备的电池性能更好。的电池性能更好。的电池性能更好。

【技术实现步骤摘要】
一种无锂负极极片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及无锂负极极片的
，尤其涉及一种无锂负极极片及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]无锂负极电池在负极侧没有初始活性物质，电池中所有的活性锂全部来自正极材料在第一次充电过程中脱出来的锂；由于负极不存在其他活性材料，进而大大提高了电池体系的能量密度，尤其是体积能量密度，负极因无过量的锂存在，与目前研究的金属锂电池相比，其安全性得到了进一步的保障。
[0003]虽然无锂负极电池一定程度上提高了能量密度以及降低了电池成本，但因负极无容纳活性锂材料或过量的锂，使得其循环寿命和电化学性能表现差强人意；其整体表现形式为在循环过程中，电池极化不断增强，克容量发挥出现持续下降并迅速达到最低值，最终电池失效；其主要原因在于循环过程中死锂不断的产生以及SEI膜的破损重建，其中，循环过程中负极体积膨胀、负极亲锂性差导致活性锂脱离基体以及其他副反应等是导致活性锂量减少的主要因素。
[0004]因此，需要制备一种性能更好的无锂负极极片。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的局限性，本专利技术提供一种无锂负极极片及其制备方法和应用。本专利技术的无锂负极极片通过在铜箔表面构建3D亲锂层结构，可有效提高集流体比表面积，缓解锂脱嵌过程中引起的体积膨胀，减小局部电流密度，促进锂的均匀沉积；另外，缓冲层的搭建可以有效缓解负极体积膨胀以及非活性锂的生成速率；具有亲锂性功能的材料和碳材料可以有效降低锂的成核过电位，且与Li
+
形成合金或化合物，作为储锂层降低过量的活性锂在基底上沉积；同时，缓冲层可将铜基底上的3D结构包裹其中，使得沉积于该结构上的锂被包裹在含有粘结剂的环境中，进而有效缓解体积膨胀，提升界面稳定性；再者，缓冲层中的粘结剂因具有羧基、氨基官能团，其可以与亲锂层上的金属螯合物或有机界面层发生酯化、酰胺化、羰氨化作用，使得亲锂层和缓冲层通过机械互锁、氢键、以及化学键紧密结合在一起，增强界面结合强度；有效避免循环过程中体积膨胀造成亲锂层与缓冲层的分离，造成电池性能下降。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的目的之一是提供一种无锂负极极片，包括：集流体、在集流体表面的3D亲锂层、在3D亲锂层表面的缓冲层；所述3D亲锂层为改性CuO纳米阵列；所述改性CuO纳米阵列包括CuO纳米阵列，以及分布于CuO纳米阵列内部和/或表面的螯合物、吸附于CuO纳米阵列表面的有机物界面层中的至少一种；所述缓冲层包括碳材料、具有亲锂功能的金属或金属氧化物和粘结剂。
[0007]在本专利技术所述的无锂负极极片中，优选的，所述集流体为铜箔集流体；和/或，所述螯合物为Cu
2+
与有机物形成的螯合物，该螯合物在生成CuO纳米阵列的同时生成，所以该螯合物分布于CuO纳米阵列内部和/或表面；和/或，所述CuO纳米阵列的高度在10~200nm之间；所述3D亲锂层与缓冲层之间存在酯化、酰胺化、羰氨化作用的一种或多种。
[0008]在本专利技术所述的无锂负极极片中，优选的，所述螯合物为聚多巴胺
‑
Cu
2+
螯合物、聚乙烯亚胺
‑
Cu
2+
螯合物、8
‑
羟基喹啉
‑
Cu
2+
螯合物中的一种或多种；和/或，所述的有机物界面层为聚多巴胺层、硅烷偶联剂层中的一种或多种。
[0009]其中，线状或片状CuO纳米阵列可促进后续线状或片状的Li2O膜的建立，促进充放电过程中Li
+
在界面处的扩散；Cu
2+
金属有机螯合物或CuO表面的有机界面层可有效增强亲锂层机械强度，降低循环过程中因体积膨胀导致活性锂脱离基底造成因无法接触电子造成死锂的产生。
[0010]在本专利技术所述的无锂负极极片中，优选的，所述缓冲层的厚度在1～10um；和/或，所述缓冲层中的碳材料包括炭黑、乙炔黑、石墨中的一种或多种；和/或，具有亲锂功能的金属或金属氧化物中的金属元素选自Mg、Zn、Cu、Sn、Ag、Au、Bi、Al中的一种或多种；所述粘结剂为含有羧基官能团或氨基官能团的化合物中的一种或多种；在本专利技术所述的无锂负极极片中，优选的，所述粘结剂选自聚丙烯酸、聚丙烯酸
‑
Li、聚乙烯亚胺、羧甲基纤维素、聚丙烯醇中的一种或多种；和/或，所述炭黑为Super
‑
P、科琴黑、石墨烯炭黑（由石墨烯衍生的炭黑）、活性炭黑（通过活性炭固定有机物质而形成的炭颗粒）和橡胶炭黑中的一种或多种；在本专利技术中，炭黑为现有常用的物质，可以直接购买使用，常见的型号有炭黑N110、N115、N121、N134、N219、N220、N231、N234、N326、N330、N339、N347、N351、N375、N539、N550、N650、N660、N762、N774等；和/或，所述缓冲层中，具有亲锂功能的金属或金属氧化物与碳材料质量比为1：1~10；所述粘结剂的质量含量为1%~15%。
[0011]本专利技术的目的之二是提供一种无锂负极极片的制备方法，包括以下步骤：S1: 配置溶液1，将集流体浸泡在溶液1中反应后，清洗，制得样品一；S2：将样品一干燥，制得负载有CuO纳米阵列的集流体的样品二或负载有螯合物或者有机界面层的CuO纳米阵列的集流体的样品三或者同时负载有螯合物和有机界面层的CuO纳米阵列的集流体的样品四；S3：配置溶液2，将样品二浸泡在溶液2中反应或者样品三任选地浸泡在溶液2中反应；制得样品五；在本专利技术中，任选地意思可选可不选的意思；S4：配置缓冲层浆料，将缓冲层浆料均匀的涂覆在样品三、样品四和样品五中一种样品的表面，真空干燥，制得无锂负极极片；在本专利技术中，样品三、样品四和样品五均对应于负载3D亲锂层的集流体；优选用于本专利技术的目的之一任一项所述的无锂负极极片的制备。
[0012]在本专利技术所述的无锂负极极片的制备方法中，优选的，所述集流体的表面不含
CuO，可在浸泡溶液1之前做去除集流体的表面CuO的处理；和/或，所述溶液1包括氧化剂、碱性化合物、任选地有机化合物中的一种或多种；和/或，所述溶液2包括碱性化合物、有机化合物中的一种或多种；和/或，所述S1步骤中的反应温度为20℃~60℃；反应时间为0.3h~24h：和/或，所述S2步骤中的干燥温度为60℃~240℃：干燥时间为4~12h；和/或，所述S3步骤中的反应温度为20℃~80℃：反应时间为5h~24h：和/或，所述S4步骤中的真空干燥温度为60℃~150℃；干燥时间为2h~12h；真空度为
‑
0.1 ~
‑
0.07MPa MPa。
[0013]在本专利技术的溶液1中在碱性条件下有助于氢氧化铜生成，在后续高温烘烤过程中生成氧化铜，另外，在碱性环境下，有助于多巴胺在铜表面上进行自聚合，吸附于铜表面。
[0014]在本专利技术的溶液2中碱性化合物、有机化合物不必须同时加入；因为步骤S1中可能残存碱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无锂负极极片，其特征在于，包括：集流体、在集流体表面的3D亲锂层、在3D亲锂层表面的缓冲层；所述3D亲锂层为改性CuO纳米阵列；所述改性CuO纳米阵列包括CuO纳米阵列，以及分布于CuO纳米阵列内部和/或表面的螯合物、吸附于CuO纳米阵列表面的有机物界面层中的至少一种；所述缓冲层包括碳材料、具有亲锂功能的金属或金属氧化物和粘结剂。2.根据权利要求1所述的无锂负极极片，其特征在于，所述集流体为铜箔集流体；和/或，所述螯合物为Cu
2+
与有机物形成的螯合物；和/或，所述CuO纳米阵列的高度在10~200nm之间；所述3D亲锂层与缓冲层之间存在酯化、酰胺化、羰氨化作用的一种或多种。3.根据权利要求2所述的无锂负极极片，其特征在于：所述螯合物为聚多巴胺
‑
Cu
2+
螯合物、聚乙烯亚胺
‑
Cu
2+
螯合物、8
‑
羟基喹啉
‑
Cu
2+
螯合物中的一种或多种；和/或，所述的有机物界面层为聚多巴胺层、硅烷偶联剂层中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的无锂负极极片，其特征在于：所述缓冲层的厚度在1～10um；和/或，所述缓冲层中的碳材料包括炭黑、乙炔黑、石墨中的一种或多种；和/或，具有亲锂功能的金属或金属氧化物中的金属元素选自Mg、Zn、Cu、Sn、Ag、Au、Bi、Al中的一种或多种；和/或，所述粘结剂为含有羧基官能团或氨基官能团的化合物中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的无锂负极极片，其特征在于：所述粘结剂选自聚丙烯酸、聚丙烯酸
‑
Li、聚乙烯亚胺、羧甲基纤维素、壳聚糖、聚酰亚胺中的一种或多种；和/或，所述炭黑为Super
‑
P、科琴黑、石墨烯炭黑、活性炭黑和橡胶炭黑中的一种或多种；和/或，所述缓冲层中，具有亲锂功能的金属或金属氧化物与碳材料质量比为1：1~10；所述粘结剂的质量含量为1%~15%。6.一种权利要求1
‑
5任一项所述的无锂负极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1: 配置溶液1，将集流体浸泡在溶液1中反应后，清洗，制得样品一；S2：将样品一干燥，制得负载有CuO纳米阵列的集流体的样品二或负载有螯合物或者有机界面层的C...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱军，刘兴坤，黄杜斌，杨扬，徐伟恒，王春源，邬金龙，
申请(专利权)人：北京金羽新材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：