[發(fā)明專利]一種金屬二次電池負(fù)極用三維集流體及其制備方法和用途

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710250367.2
• 申請日: 2017-04-17
• 公開（公告）號: CN106898778B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭玉國;劉琳;殷雅俠;萬立駿
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院化學(xué)研究所
• 主分類號: H01M4/64
• 分類號: H01M4/64
• 代理公司: 北京知元同創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞;牛艷玲

本發(fā)明提供一種用作金屬二次電池負(fù)極集流體的三維多孔集流體。所述集流體為三維多孔中空碳纖維集流體，同時(shí)具備中空纖維管狀結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)使用的平整集流體相比，所述的三維多孔中空碳纖維集流體可以抑制金屬沉積/析出過程產(chǎn)生的枝晶，極大地提高了金屬負(fù)極的安全性，同時(shí)可以提高庫侖效率和循環(huán)壽命，減小電壓極化。制備該三維多孔中空碳纖維骨架集流體的方法簡單易行，原料廉價(jià)易得，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)電源領(lǐng)域，具體涉及一種金屬二次電池負(fù)極用三維集流體，其制備方法，使用該集流體所得的具有枝晶抑制效果的金屬二次電池負(fù)極，使用該集流體的金屬負(fù)極可以用于高能量密度儲(chǔ)能器件中，顯著提高其安全性、庫倫效率和循環(huán)壽命。

背景技術(shù)：

為了滿足人們對于便攜電子、電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)日益增加的需求，超越傳統(tǒng)鋰離子電池的高能量密度電池體系亟需開發(fā)。金屬二次電池是一類直接使用鋰、鈉、鎂、鉀等金屬負(fù)極的二次電池，因其高能量密度而得到廣泛關(guān)注。以金屬鋰二次電池為例，金屬鋰具有非常高的理論比容量(3860mA h g^-1)、最低的電位(-3.04V vs.NHE)和較小的密度(0.53gcm^-3),且可以直接作為鋰源用于鋰硫和鋰空等正極不含鋰的電池體系中。直接使用金屬鋰作為負(fù)極的電池體系具有較高的能量密度，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰離子電池，有望作為下一代儲(chǔ)能器件。

金屬負(fù)極目前仍存在諸多問題，以鋰二次電池為例，在充放電過程中，金屬鋰經(jīng)歷不均勻的沉積/析出，產(chǎn)生鋰枝晶，導(dǎo)致內(nèi)部短路，甚至引起災(zāi)難性的事故。由于金屬鋰較活潑，與大多數(shù)的有機(jī)電解液溶劑或是鋰鹽反應(yīng)形成SEI。在鋰沉積/析出的過程中，SEI不斷的破壞/重修，不僅消耗大量的電解液，而且對鋰金屬造成嚴(yán)重的腐蝕，導(dǎo)致低的庫倫效率和較差的循環(huán)壽命。

為了解決金屬負(fù)極存在的問題，目前主要采取了以下措施：一是調(diào)整電解液組成，例如改變電解質(zhì)濃度或是加入添加劑，以達(dá)到穩(wěn)定SEI的目的。盡管有一定的效果，但是大多數(shù)添加劑在電池循環(huán)過程中不斷地消耗，而且形成的SEI較脆，無法承受循環(huán)過程中的體積變化。二是使用固態(tài)電解質(zhì)來抑制金屬枝晶的生長，但是固態(tài)電解質(zhì)具有低的室溫電導(dǎo)率和大的界面阻抗，動(dòng)力學(xué)行為較差。三是使用物理保護(hù)層抑制金屬枝晶生長，但是存在界面接觸不穩(wěn)定的問題。

針對金屬枝晶以及沉積/析出庫倫效率低的問題，本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了一種自支撐的三維多孔中空碳纖維結(jié)構(gòu)。金屬不僅可以沉積在碳纖維骨架的孔隙中，還可以沉積在碳纖維的空心結(jié)構(gòu)中，從而達(dá)到抑制金屬枝晶的生長、提高沉積/析出庫倫效率、增加鋰沉積面容量、減小電壓極化，并增加循環(huán)壽命的作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種用作金屬二次電池負(fù)極集流體的三維多孔集流體，該集流體為自支撐的柔性三維多孔中空碳纖維集流體。與傳統(tǒng)使用的平整集流體(如銅箔，或金屬負(fù)極本身作為集流體)相比，所述的三維多孔中空碳纖維集流體可以抑制金屬沉積/析出過程產(chǎn)生的枝晶，極大地提高了金屬負(fù)極的安全性，同時(shí)可以提高庫侖效率和循環(huán)壽命，減小電壓極化。而且，所述的三維多孔中空碳纖維集流體可以負(fù)載較高面容量的金屬。制備該三維多孔中空碳纖維集流體的方法簡單易行，原料廉價(jià)易得，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，具有很高的實(shí)用性。

本發(fā)明提供一種金屬二次電池負(fù)極用集流體，所述金屬二次電池指直接使用金屬鋰、鈉、鎂和鉀中的一種或多種作為負(fù)極的二次電池，所述集流體為三維多孔中空碳纖維集流體，所述三維多孔中空碳纖維集流體同時(shí)存在多孔結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)且用于負(fù)載金屬負(fù)極，能夠抑制負(fù)極鋰枝晶生長、提高庫倫效率、增加鋰沉積面容量、減小電壓極化并提高循環(huán)壽命。