一种三维碳基复合金属锂负极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种三维碳基复合金属锂负极及其制备方法与应用，该制备方法首先对碳纤维布进行酸化处理；然后将酸化处理后的碳纤维布放入高锰酸钾、浓硫酸和去离子水配制而成得混合溶液中，低温保温搅拌使MnO2纳米片阵列原位生长在在碳纤维布表面；最后将负载有二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布作为三维碳基亲锂载体，通过熔融渗锂法制备出三维复合金属锂负极。本发明专利技术提供的制备方法工艺简单、成本低，可大面积制备，制备得到的三维复合金属锂负极呈现三维多孔结构，可以适应循环过程中剧烈的体积变化，避免金属锂的长期剥离/沉积过程中的体积效应和金属锂的粉化问题，提高锂金属电池的库伦效率和循环寿命。伦效率和循环寿命。伦效率和循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种三维碳基复合金属锂负极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及金属锂负极制备
，尤其是一种三维碳基复合金属锂负极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备和电动汽车等领域的持续快速发展，人类社会对锂电池的能量密度、循环性能和倍率性能提出了更高的要求。
[0003]尽管锂离子电池应用广泛，锂离子电池实际能量密度的提升却显得滞后。目前基于石墨负极(理论放电比容量为371mAh/g)的传统锂离子电池能量密度已趋近于理论极限。随着人们对电池能量密度的迫切需求，锂金属因其极高的比容量(3860mAh/g)、最低的电极电势(
‑
3.04V)以及优异的机械柔性和轻质等特点，被誉为电极材料中的“圣杯”，是未来构建高能量密度电池体系的重要选择。
[0004]然而，金属锂负极的实用化仍存在诸多问题，其中关键制约因素包括金属锂在沉积和剥离过程中的体积效应和锂枝晶的产生，这直接导致锂金属电池能量密度、循环性能和使用寿命较差等缺陷。三维碳基多孔骨架材料由于质量轻、比表面积大、导电性好以及优异的机械强度等特性受到广泛的研究关注，其较大的比表面积可以有效降低电极局域电流密度抑制锂枝晶生长，同时丰富的孔体积可以有效缓解锂金属体积效应。但由于常规碳材料与锂的亲和性较差，无法直接作为亲锂骨架应用在锂金属负极中，因此需要在碳材料表面负载亲锂修饰层以增加碳基材料与金属锂的亲和力。然而三维碳基亲锂骨架的制备通常需要高温工艺，降低了碳纤维布的强度，从而限制了其应用。

技术实现思路
r/>[0005]本专利技术提供一种三维碳基复合金属锂负极及其制备方法与应用，通过水相一步合成法首先制备出二氧化锰纳米片阵列均匀负载的三维碳纤维布作为碳基亲锂载体，后续无需高温烧结，保证了碳纤维布的强度和韧性，随后通过熔融吸锂法制备出三维碳基复合金属锂负极，用于克服现有技术中由于金属锂负极在沉积和剥离过程中的体积效应和锂枝晶的产生造成锂金属电池能量密度、循环性能和使用寿命较差等缺陷。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种三维碳基复合金属锂负极的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1：将碳纤维布依次用盐酸、丙酮、去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗后烘干，向清洗烘干后的碳纤维布加入浓硫酸，进行水热反应，得到酸化碳纤维布；
[0008]S2：将高锰酸钾、浓硫酸和去离子水配制成混合溶液，水浴加热搅拌使高锰酸钾完溶解，然后将所述酸化碳纤维布放入混合溶液，保温搅拌，超声清洗，真空烘干，得到负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布；
[0009]S3：将金属锂加热至熔融状态，将负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布一端浸入熔融金属锂中，通过毛细作用制得三维碳基复合金属锂负极。
[0010]为实现上述目的，本专利技术还提出一种三维碳基复合金属锂负极，由上述所述制备方法制备得到；所述三维碳基复合金属锂负极呈现三维多孔结构，整体形貌保持碳纤维布原有骨架，在碳纤维布原有骨架表面包裹金属锂。
[0011]为实现上述目的，本专利技术还提出一种三维碳基复合金属锂负极的应用，将上述所述制备方法制备得到的三维复合金属锂负极或者上述所述三维复合金属锂负极应用于柔性锂金属电池中。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：
[0013]1、本专利技术提供的三维碳基复合金属锂负极的制备方法首先对碳纤维布进行酸化处理，使其表面形成羧基和羟基基团，增加碳纤维布的亲水性并利于后期MnO2纳米片在碳纤维布上的生长；然后将酸化处理后的碳纤维布放入高锰酸钾、浓硫酸和去离子水配制而成得混合溶液中，低温保温搅拌使MnO2纳米片阵列原位生长在碳纤维布表面，MnO2纳米片阵列不仅可以在熔融锂灌注过程中起到维持基体结构稳定性的作用，还可以促进锂离子在沉积/剥离过程中的快速传输；最后将负载有二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布一端置入熔融的金属锂中，在毛细管力作用下熔融金属锂被吸附到整个碳纤维布上。本专利技术提供的制备方法工艺简单、成本低、一步法合成工艺适合大面积制备亲锂载体，且亲锂载体的制备过程无需高温处理，不会损坏碳纤维布的强度，制备得到的三维复合金属锂负极呈现三维多孔结构，可以适应循环过程中剧烈的体积变化，避免金属锂的长期嵌入/脱出中的体积效应和金属锂的粉化问题，提高电池的长循环性能合使用寿命。
[0014]2、本专利技术提供的三维碳基复合金属锂负极由碳纤维布负载二氧化锰作为亲锂界面层吸附熔融金属锂制备而来。该复合金属锂负极保持碳纤维布原有骨架，三维碳基多孔骨架材料具有质量轻、比表面积大、导电性好以及优异的机械强度等特性，其较大的比表面积可以有效降低电极局域电流密度，抑制锂枝晶生长；同时丰富的孔体积可以有效缓解锂金属体积效应；在碳纤维表面修饰的MnO2很大程度上提高了三维碳基骨架的亲锂性，同时，纳米片阵列框架不仅可以在熔融锂灌注过程中起到维持基体结构稳定性的作用，还可以加快锂在沉积/剥离过程中的电子和离子传输。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0016]图1为实施例1制得的预处理后的碳纤维布在1mm和5μm下的SEM图片；
[0017]图2为实施例1制得的负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布在1mm和5μm下的SEM图片；
[0018]图3为实施例1制得的负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布在500nm下的SEM图片；
[0019]图4为实施例1制得的负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布的XRD图片；
[0020]图5为实施例1制得的复合金属锂负极在1mm和100nm下的SEM图片；
[0021]图6为实施例1制得的复合金属锂负极的XRD图片；
[0022]图7为以实施例1制得的复合金属锂负极作为负极的锂金属电池与锂片作为负极
的锂金属电池的循环性能对比图；
[0023]图8为以实施例1制得的复合金属锂负极作为负极的锂金属电池与锂片作为负极的锂金属电池的倍率性能对比图；
[0024]图9为对比例1制得的负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布在20μm和1μm下的SEM图片；其中，(a)为20μm下的SEM图片，(b)为1μm下的SEM图片；
[0025]图10对比例2制得的负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布在20μm和1μm下的SEM图片；其中，(a)为20μm下的SEM图片，(b)为1μm下的SEM图片。
[0026]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维碳基复合金属锂负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将碳纤维布依次用盐酸、丙酮、去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗后烘干，向清洗烘干后的碳纤维布加入浓硫酸，进行水热反应，得到酸化碳纤维布；S2：将高锰酸钾、浓硫酸和去离子水配制成混合溶液，水浴加热搅拌使高锰酸钾完溶解，然后将所述酸化碳纤维布放入混合溶液，保温搅拌，超声清洗，真空烘干，得到负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布；S3：将金属锂加热至熔融状态，将负载二氧化锰纳米片阵列的碳纤维布一端浸入熔融金属锂中，通过毛细作用制得三维碳基复合金属锂负极。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述水热反应的温度为90～100℃，时间为4～6h。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述烘干的温度为50～60℃，时间为3～6h；所述超声清洗的时间为10～20min。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述盐酸的浓度为1～2mol/L。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述混...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙巍巍，范晓波，付天吉，李宇杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：