[發明專利]一種具有凹坑圖案的用于二次電池的電極及其制備方法和用途

有效

• 申請號: 201611115534.4
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN106784611B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發明（設計）人: 李葉晶;王兆翔;陳立泉
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/04;H01M10/05;H01M12/08
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅

本發明公開了一種用于二次電池的電極，所述電極在其上下兩個表面中的至少一個表面上具有多個凹坑，每個凹坑頂面投影的面積為25平方納米?250000平方微米，所述凹坑的深度為10納米?500微米，以及相鄰凹坑的中心距為10納米?1000微米。在作為二次電池電極使用時，該電極可以有效地將電化學活性金屬如金屬鋰限制在凹坑中，避免在電極表面上出現電化學活性金屬的枝晶(如，鋰枝晶)，以及緩沖合金化反應過程中的電極的巨大體積形變，從而提高金屬二次電池的安全性能和循環壽命。本發明還提供所述電極的制備方法及其應用。

技術領域

本發明屬于化學電源領域，具體涉及一種具有凹坑圖案的用于二次電池的電極及其制備方法和用途。

背景技術

隨著便攜式電子設備、電動汽車的蓬勃發展，人們對高能量密度的儲能器件的需求日益增加?；谇度牖瘜W的二次電池因嵌入主體晶體結構的限制而難以突破容量瓶頸。因此，人們將研發重點轉向基于活性金屬的沉積與溶出的各類金屬二次電池如鋰-硫電池、鈉-硫電池、鋰-空氣(氧氣，下同)電池、鈉-空氣電池、鋅-空氣電池、鎂(離子)電池、鋁(離子)電池、鋅-二氧化錳(MnO₂)二次電池，以及(全)固態鋰電池等。

在以活性金屬為負極的二次電池的充電和放電過程中，金屬離子通過電解質在電池的正負電極之間往返運動，反復在電池負極上沉積和溶出。這些以電化學沉積和溶出為基礎的金屬負極通常具有較高的比容量，所構成的二次電池具有較高的工作電壓和能量密度。然而，在循環過程中，電極電流密度的不均勻分布會導致金屬沉積或溶解的不均勻,并進而引起金屬枝晶的生長和折斷，縮短了電池的循環壽命。在更嚴重的情況下，枝晶會刺穿電池隔膜或電解質薄層引起電池短路，導致電池失效甚至燃燒爆炸。有效防止金屬枝晶的生長是保證各類金屬二次電池安全性的關鍵。但是，目前尚未找到能夠避免金屬枝晶生長的真正有效方法。

另外，基于合金化反應的金屬或非金屬電極材料在與上述金屬離子發生合金化和去合金化時通常發生較大的體積變化，造成電極粉化失效及電池內阻增加，導致電池循環壽命縮短。

發明內容

因此，針對金屬二次電池所存在的上述問題，本發明的一個目的在于提供一種改進的用于二次電池的電極。在作為二次電池電極使用時，該電極可以將電化學活性金屬如金屬鋰有效地限制在凹坑中，避免在電極平面上出現金屬枝晶(如，鋰枝晶)，并緩沖合金化反應過程中電極的巨大體積形變，從而提高金屬二次電池的安全性能和循環壽命。本發明的另一目的是提供所述電極的制備方法和應用。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一方面，本發明提供了一種用于二次電池的電極，所述電極在其上下兩個表面中的至少一個表面上具有多個凹坑。每個凹坑頂面投影的面積為25平方納米-250000平方微米，所述凹坑的深度為10納米-500微米。相鄰凹坑的中心距為10納米-1000微米。

本發明中，由于電極表面上具有凹坑，該電極也稱為“凹坑電極”。

本發明人發現，采用本發明的具有凹坑圖案的電極(凹坑電極)時，電化學活性金屬如金屬鋰會優先在預設計的凹坑中沉積或溶出，將諸如金屬鋰的電化學活性金屬限制在凹坑中，從而可以避免在電極表面上出現電化學活性金屬的枝晶(如鋰枝晶)。此外，預設計的凹坑可以為金屬合金化形變提供緩沖空間，保證電極結構的穩定性和完整性。

根據本發明提供的電極，其中，所述凹坑頂面投影的面積優選為1950平方納米-200000平方微米。

根據本發明提供的電極，其中，所述凹坑的深度優選為20納米-500微米。在一些實施方案中，所述凹坑的深度為50納米至500微米；在一些實施方案中，所述凹坑的深度為500納米至50微米；以及在一些實施方案中，所述凹坑的深度為5微米至50微米。