【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属锂电池，具体而言，涉及一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法和应用。
技术介绍
1、锂离子电池在手机、笔记本电脑和相机等小型能量密度需求的储能设备中得到了广泛的应用，成为日常生活中不可或缺的角色。但是，随着时代和技术的发展，锂离子电池能量密度低于300wh kg-1，难以满足目前新兴设备对高能量密度的需求，因此开发以锂、钠、钾和镁等金属为负极的高能量密度的电池迫在眉睫。以锂金属二次电池为例，因锂金属负极具有高的理论比容量(3860mah g-1)、低的还原电位(-3.04v)和质量较轻等优点，其组装成的二次电池的理论能量密度有望突破500wh kg-1，因而极具科研价值和应用前景。
2、然而，金属锂负极存在以下诸多问题，一是锂金属活性高，容易与有机液体电解液反应，导致低的库仑效率；二是在循环过程中金属锂会发生不均匀的沉积和脱出，生成锂枝晶。锂枝晶刺穿隔膜会导致短路，引发爆炸等危险；三是在循环过程中金属锂会发生较大的体积膨胀和收缩，导致较差的电极稳定性，进而导致短的循环寿命。以上这些问题都给金属锂电池的实际应用带来了极大的挑战。在锂金属负极中，集流体起到承载活性物质的作用，并将电化学反应所产生的电子汇集起来导至外电路，从而实现化学能转化为电能的过程，集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一。集流体直接影响着电场的分布以及金属锂沉积初期的成核行为，两者都影响着li沉积形貌。
3、三维集流体因具有较大比表面积，能有效降低局部电流密度，抑制枝晶的生长和缓解锂负极的体积膨胀等，进而提高
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法和应用，多孔超薄锂金属负极具有“亲锂”特性的三维集流体。
2、为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法，包括如下步骤：
3、1)通过水热法在碳化后的棉布表面生长氧化物，形成表面修饰金属氧化物的碳布，得到三维集流体；
4、2)将锂加热到熔融状态，将三维集流体碳布放入其中，充分浸润，液态金属锂在所述三维集流体内部的纤维表面铺展，在所述三维集流体表面的单根纤维上熔锂，通过熔融浸润形成多孔超薄锂电池负极。
5、根据本专利技术，制备三维集流体的步骤包括：
6、1)将棉布裁减后置于氢氧化钠溶液中浸泡，取出后用去离子水洗干净；再将所述棉布置于盐酸溶液中浸泡，然后取出用去离子水洗干净，烘干；
7、2)在氩气保护下，将所述棉布放置在碳化炉中，升至一定温度碳化使其石墨化，得到了碳布；
8、3)将步骤2)中碳布放进金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的混合溶液中，水热反应，取出后烘干；
9、4)将烘干后的碳布放在惰性气氛中升至一定的温度反应，使得每根纤维表面生长亲锂性较强的氧化物，氧化物负载在碳纤维表面，使得碳布表面修饰有金属氧化物，得到三维集流体。
10、根据本专利技术，金属氧化物为氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化镍。
11、根据本专利技术，所述步骤1)中氢氧化钠溶液的浓度为0.2-0.80mol/l；优选为0.4-0.6mol/l，例如为0.4mol/l，0.45mol/l，0.5mol/l，0.55mol/l，0.6mol/l。
12、优选地，所述盐酸溶液的浓度为0.5-1.5mol/l；优选为0.6-1.2mol/l；例如为0.6mol/l，0.7mol/l，0.8mol/l，0.9mol/l，1.0mol/l，1.1mol/l，1.2mol/l。
13、根据本专利技术，所述步骤3)中，所述金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的摩尔比1～1.5。
14、优选地，所述金属氯化物溶液为氯化铁溶液、氯化锌溶液、氯化铜溶液和氯化镍溶液中的一种或多种。
15、优选地，所述金属氯化物溶液的浓度为0.02-0.04mol/l，例如0.02mol/l，0.025mol/l，0.03mol/l，0.035mol/l，0.04mol/l。优选地，所述硫酸钠溶液的浓度为0.015-0.018mol/l，例如0.015mol/l，0.016mol/l，0.017mol/l，0.018mol/l。
16、根据本专利技术，所述步骤3)中，在100-150℃条件下水热反应8-10小时。优选在110-120℃条件下水热反应6-9小时。例如，在120℃下水热反应8小时。
17、根据本专利技术，石墨化条件为：以4-6℃的速率升温到1100℃-1300℃，煅烧3-5小时。例如，以5℃/min的速率升温到1200℃，煅烧2小时。
18、优选地，所述步骤4)中反应条件为：以4-6℃/min的速率升温到400-500℃的高温，反应煅烧3-5h；例如，以5℃/min的速率升温到450℃的高温，反应煅烧2h。
19、根据本专利技术的另一方面，还提供了一种多孔超薄锂金属负极，采用上述任一种氧化物修饰的碳布，结合熔融浸润的方法制备而成。
20、根据本专利技术的又一方面，还提供了一种多孔超薄锂电池，包括正极和负极，所述负极为上述多孔超薄锂金属负极。
21、根据本专利技术的再一方面，还提供了上述任一种多孔超薄锂电池在长寿命、高安全性的高能量密度型储能器件中的应用。
22、本专利技术的有益效果：
23、1)本专利技术采用修饰金属氧化物的三维集流体，由于氧化物修饰的碳布具有较高的“亲锂”性，增加了金属锂在三维集流体上的渗透速率，能够在几秒钟完成浸润，大大提高了浸润速率，加速了熔锂过程。而且，由于氧化物极强的亲锂性，使熔融锂金属只存在于纤维表面，在纤维之间的孔隙处未存在锂金属，实现了沿纤维表面熔融锂的目的，其3d结构增加了电解液对锂负极的浸润性，加快了锂离子的转移动力学，从而降低了电阻，充分利用了成核位点，提高了性能。而且只沿纤维表面熔融锂时，锂金属的量会大大减少，相比于现有的熔融法来说，减少了纤维之间的锂的含量，极大的提高了锂金属的利用率和电池性能。相比较贵金属而言，本专利技术具有环境友好型、成本低、来源广、操作简单，适合大规模工业化生产等优点，易于实现商业化。
24、2)碳化的棉布具有优异的导电性，金属氧化物与熔融锂反应生成金属单质能够提供亲核位点，实现金属锂的均匀沉积，抑制了锂枝晶的生长形成，增加了亲锂性，从而降低了成核过电位，而且本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述三维集流体的步骤包括：
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，金属氧化物为氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化镍。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中氢氧化钠溶液的浓度为0.2-0.80mol/L；优选为0.4-0.6mol/L，例如0.4mol/L，0.45mol/L，0.5mol/L，0.55mol/L，0.6mol/L。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的摩尔比1～1.5。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，在100-150℃条件下水热反应8-10小时；优选在110-120℃条件下水热反应6-9小时。例如，在120℃下水热反应8小时。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，石墨化条件为：以4-6℃的速率升温到1100℃-1300℃，煅烧3-5小时。例如，以5℃/min的速率升温到1
8.一种多孔超薄锂金属负极，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法得到。
9.一种多孔超薄锂电池，包括正极和负极，其特征在于，所述负极为权利要求8所述的多孔超薄锂金属负极。
10.权利要求9所述的多孔超薄锂电池在长寿命、高安全性的高能量密度型储能器件中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种基于纤维表面浸润制备多孔超薄锂金属负极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述三维集流体的步骤包括：
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，金属氧化物为氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化镍。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中氢氧化钠溶液的浓度为0.2-0.80mol/l；优选为0.4-0.6mol/l，例如0.4mol/l，0.45mol/l，0.5mol/l，0.55mol/l，0.6mol/l。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述金属氯化物溶液和硫酸钠溶液的摩尔比1～1.5。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在...
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