本发明专利技术属于锂金属电池技术领域，公开了一种三维锂金属电池负极及其制备方法。所述制备方法包括：采用激光刻蚀法对商用铜箔和锌箔进行处理，得到双阵列结构铜锌合金三维材料；采用电沉积法将上述材料与锂金属结合，获得三维锂金属负极。本发明专利技术制备工艺操作简单、高效、制备成本低，能够有效优化锂金属电池电化学性能且对环境友好，易于实现规模化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂金属电池，涉及一种三维锂金属电池负极及其制备方法，具体涉及一种双阵列结构铜锌合金三维材料及其制备方法。
技术介绍
1、近年来，各种便携式电子设备、电动汽车和智能电网技术的发展加速了高比能量密度电池材料和设备的发展。与传统石墨电极相比，锂金属由于具有超高的理论比容量(3860mah/g)、极低的氧化还原电位(-3.04v vs标准氢电极)和极小的质量密度(0.59g/cm2)，锂金属电池所具有的独特的储能优势被认为是高能量密度充电电池的理想选择。
2、随着电池在重复充放电过程中锂阳极体积的膨胀，sei层容易被锂枝晶的局部应力破坏。sei膜的持续断裂/修复导致电解液和锂的持续消耗，从而加速了锂金属阳极的循环寿命结束，最终引发短路甚至产生安全问题。因此，提高锂金属阳极的循环稳定性和安全性是实现下一代绿色安全储能系统可持续发展的一大挑战。
3、目前大多数抑制枝晶生长的方法都集中在通过传统的锂阳极界面保护技术和隔膜修饰技术来提高固体电解质界面(sei)膜的稳定性，包括电解液添加剂的开发、sei膜的原位修饰、人工构建功能界面层和隔膜修饰等。
4、根据sand的时间模型，锂枝晶的生长倾向于集中在电流密度较大的电极表面，因而研究人员引入了具有高比表面积的三维材料，用来有效降低局部电流密度，抑制锂枝晶的生长。像泡沫铜、碳纳米管、石墨烯和碳布等三维材料，因内部布满相互连接的孔，已被用于锂金属电池负极以促进锂的沉积和剥离，但这些三维材料因其本身疏锂性会导致其不能直接应用于锂金属电池电极。
>5、因此，要实现锂金属负极的产业化应用，首先需克服其存在的上述技术问题，在提高电化学性能的同时，还需同时保证结构的稳定性。
技术实现思路
1、本专利技术针对上述问题提出了一种三维锂金属负极及其制备方法，在双阵列结构铜锌合金三维材料材料中：金属锌和氧化锌的引入可以增强铜基底的亲锂性，引导锂均匀沉积到具有阵列结构的铜锌合金三维材料中；锌单质还可以和锂反应形成合金，能够降低锂的成核势垒，有利于促进电荷转移；双阵列结构的铜锌合金三维材料可以缓冲锂在沉积和剥离过程中的体积变化，优化锂金属电池电化学性能。这种三维锂金属负极制备工艺操作简单、高效、制备成本低且对环境友好，易于实现规模化生产。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种三维锂金属电池负极材料，以铜箔为基底层，激光刻蚀锌箔形成的双阵列结构铜锌合金三维材料，对铜基底激光刻蚀进行表面处理过后，在上方进行锌箔穿透与铜箔结合，即可形成双阵列结构。
4、三维锂金属电池负极材料表面与电解液接触角为17.3°。
5、与商用黄铜箔相比，使用激光刻蚀方法直接制取的铜锌合金比商用黄铜含有更少的杂质并具有商用黄铜不具备的双阵列结构，形成表面有大量锌的亲锂性结构。
6、采用所述的激光刻蚀法，所制得的材料与对照材料(铜箔)相比，与电解液的接触角明显减小。表明处理后，材料与电解液的润湿性和吸附性得到了明显的改善，有利于锂离子在负极集流体表面均匀分布。
7、一种三维锂金属电池负极，以上述负极电池材料制备而成。
8、一种三维锂金属电池负极的制备方法，包括以下步骤：
9、1.在光纤激光器自带的控制软件ezcad2.5.3上绘制出所需激光图案并进行填充，设置扫描速度、功率、线间距、光斑直径等合适激光参数即可进行激光操作；
10、2.将铜箔放置在激光器实验台上，使用软件ezcad2.5.3控制进行红光校准，移动铜箔至红光所示激光区域内，然后使用ezcad2.5.3控制激光器对铜箔表面进行激光刻蚀，激光刻蚀的参数为：激光波长为1064nm、脉冲宽度为50ns、扫描速度为300-1000mm/s、光斑直径为30-50μm、激光频率为20khz、直线填充的间距为30-50μm；
11、3.使用软件ezcad2.5.3控制红光校准，将锌箔悬空放置在步骤2所述铜箔上方，移动至激光区域内，然后对锌箔进行激光穿透刻蚀，使锌箔附着在刻蚀过的铜箔上，在其表面与其形成铜锌合金三维材料。
12、4.双阵列锂金属负极的制备，采用电沉积法将步骤3中铜锌合金三维材料与定量的锂结合，获得三维锂金属负极。
13、进一步的，所述步骤2中激光刻蚀的图案设计有矩形阵列、环阵列等类型。
14、激光刻蚀的图案是在软件上自行设计的，激光光斑走向不同，得到的阵列类型不同，矩形阵列更贴合锂金属电池负极采用的3d材料形貌，对锂金属电池的性能稳定有很重要的作用。
15、进一步的，所述步骤3中激光刻蚀的参数为：激光波长为1064nm、脉冲宽度为50ns、扫描速度为300-1000mm/s、光斑直径为50μm、激光频率为20khz、直线填充的间距为50μm。
16、本专利技术具有如下有益效果：
17、(1)本专利技术双阵列结构铜锌合金三维材料中，亲锂性的金属锌和氧化锌可以引导金属锂沉积到具有三维结构的铜锌合金中去，增强了商用铜箔的亲锂性。
18、(2)本专利技术双阵列结构铜锌合金三维材料中，锌金属单质可以和锂反应形成合金，能够降低锂的成核势垒；该合金材料与沉积锂形成复合锂金属负极时，三维阵列结构也能够调节循环过程中电极表面的电流密度不均匀的问题，诱导锂的有序沉积从而抑制锂枝晶生长，有效缓冲锂在沉积和剥离过程中的体积变化。
19、(3)本专利技术双阵列结构铜锌合金三维材料中，铜锌之间的强界面结合是在激光刻蚀过程中自发实现的，对促进电荷转移了发挥重要作用。
20、(4)本专利技术双阵列结构铜锌合金三维材料中，其制备过程直接在空气中对铜箔、锌箔进行激光刻蚀，克服了传统锂金属电池负极改性工艺中需要大量化学试剂、工艺复杂等缺点，实现了激光制备改性锂金属电池负极；制备工艺操作简单、高效、制备成本低且对环境友好，易于实现规模化生产。
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【技术保护点】
1.一种三维锂金属电池负极材料，其特征在于，以铜箔为基底层，激光刻蚀锌箔形成的双阵列结构铜锌合金三维材料，三维锂金属负极材料表面与电解液接触角为17.3°。
2.一种三维锂金属电池负极，其特征在于，以权利要求1所述负极材料制备而成。
3.一种三维锂金属电池负极的制备方法，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的三维锂金属电池负极材料，其特征在于，所述步骤2中激光刻蚀的图案为矩形阵列或环阵列。
5.根据权利要求3所述的三维锂金属电池负极材料，其特征在于，所述步骤3中激光刻蚀的参数为：激光波长为1064nm、脉冲宽度为50ns、扫描速度为300-1000mm/s、光斑直径为50μm、激光频率为20kHz、直线填充的间距为50μm。
6.根据权利要求3所述的三维锂金属电池负极材料，其特征在于，步骤1-3中的软件为EZCAD2.5.3。
【技术特征摘要】
1.一种三维锂金属电池负极材料，其特征在于，以铜箔为基底层，激光刻蚀锌箔形成的双阵列结构铜锌合金三维材料，三维锂金属负极材料表面与电解液接触角为17.3°。
2.一种三维锂金属电池负极，其特征在于，以权利要求1所述负极材料制备而成。
3.一种三维锂金属电池负极的制备方法，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的三维锂金属电池负极材料，其特征在于，所述步骤2中激光...
【专利技术属性】
技术研发人员：惠宇，孙文萍，袁琳玉，那兆霖，刘旭东，王兴安，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：
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