[發(fā)明專利]一種3D復(fù)合銅及其制備方法和一種集流體及其應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810081406.5
• 申請(qǐng)日: 2018-01-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108598489A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈超;謝科予;田秀麗;閆慧博;黃繼宏;張丁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東莞市航盛新能源材料有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/66
• 分類號(hào): H01M4/66;H01M4/80;H01M4/04;H01M10/0525
• 代理公司: 東莞市華南專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44215
• 代理人: 方小明

本發(fā)明涉及集流體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種3D復(fù)合銅及其制備方法和一種集流體及其應(yīng)用，所述3D復(fù)合銅包括由銅亞微米線纏繞而成的泡沫銅，所述銅亞微米線上包覆有氧化亞銅。本發(fā)明由銅亞微米線纏繞而成的泡沫銅具有高孔隙率、低孔徑和孔徑分布均勻的特點(diǎn)，還具有足夠的強(qiáng)度和延伸率，可以提供充足的鋰的形核位點(diǎn)，并且通過(guò)體積變化抵消鋰枝晶產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而在包覆在泡沫銅上的氧化亞銅則可以在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中被還原成單質(zhì)銅同時(shí)生成氧化鋰，其中的氧化鋰將成為SEI重要成分，起到提高鋰離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定鋰金屬的作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集流體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種3D復(fù)合銅及其制備方法和一種集流體及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)等的應(yīng)用和發(fā)展，高比能量的電池逐漸受到關(guān)注和研究。鋰金屬具有高理論比容量(3860mAh/g)，低密度(0.59g/cm³)，低負(fù)電壓(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的氫電極電壓為-3.040V)，這些優(yōu)點(diǎn)使鋰金屬在儲(chǔ)能領(lǐng)域受到很大研究與關(guān)注。活潑的鋰金屬在和電解液接觸時(shí)，會(huì)迅速與電解液發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)具有保護(hù)鋰金屬防止其繼續(xù)反應(yīng)的固態(tài)電解液界面(SEI)。當(dāng)鋰金屬在循環(huán)過(guò)程中，反復(fù)的進(jìn)行鋰的嵌入與脫出過(guò)程使鋰金屬體積改變，破壞SEI膜，消耗電解液同時(shí)也消耗掉了大量的鋰，電化學(xué)性能上表現(xiàn)出就是容量快速衰減和較低的庫(kù)倫效率。更嚴(yán)重的是鋰在SEI破壞處迅速沉積生長(zhǎng)形成了鋰枝晶，枝晶刺穿隔膜使正負(fù)極直接接觸導(dǎo)致內(nèi)部短路起火發(fā)生爆炸。這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了金屬鋰負(fù)極二次電池的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

在過(guò)去的40年里科學(xué)家用各種方法提高SEI的性能，實(shí)現(xiàn)高鋰離子電導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度具有穩(wěn)定鋰金屬的SEI。這些方法包括鋰金屬或者集流體表面改性、隔膜改性、電解液添加劑等等。如Ya-YuanLiu等人[Advanced Materials，2017，29:1605531]通過(guò)在商業(yè)化的負(fù)極流體上涂覆Cu₃N，當(dāng)發(fā)生電化學(xué)循環(huán)時(shí)候，Cu₃N就會(huì)與鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)Li₃N和Cu，其中的Li₃N是增強(qiáng)SEI機(jī)械性能的主要成分，而Cu則可以實(shí)現(xiàn)高的Li⁺電導(dǎo)率，這樣達(dá)到保護(hù)鋰金屬的目的。專利文獻(xiàn)CN106797018A中提出將了導(dǎo)電聚合物和碳材料復(fù)合包覆材料，在電化學(xué)反應(yīng)中形成有優(yōu)良性能的SEI。而3D集流體本身在電化學(xué)反應(yīng)總就有均勻鋰離子分布的作用，這個(gè)已經(jīng)被Chun-PengYang等人[NatureCommunication，2015，6:8058]中證明，也被大部分科學(xué)家認(rèn)可。

銅是理想的電池負(fù)極集流體材質(zhì)，現(xiàn)在研究大部分都是在商業(yè)化銅箔集流體表面包覆人造SEI去保護(hù)鋰金屬，或者采用3D銅集流體保護(hù)鋰金屬，不能夠?qū)崿F(xiàn)3D化的集流體在原位上形成高鋰離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度的SEI去穩(wěn)定鋰金屬。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種原位形成具有高鋰離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定鋰金屬的SEI的3D復(fù)合銅；本發(fā)明的另一發(fā)明目的在于提供該3D復(fù)合銅的制備方法，該方法制得的3D復(fù)合銅具有高孔隙率、低孔徑和孔徑分布均勻的特點(diǎn)，并且易于工業(yè)化生產(chǎn)；本發(fā)明的另一目的在于提供一種3D復(fù)合銅集流體，該集流體能有效保護(hù)鋰金屬不被電解液腐蝕，阻止鋰枝晶的形成；本發(fā)明的另一目的在于提供該3D復(fù)合銅集流體的應(yīng)用，制成的鋰電池具有極高的庫(kù)倫效率。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種3D復(fù)合銅，包括由銅亞微米線纏繞而成的泡沫銅，所述銅亞微米線上包覆有氧化亞銅。

本發(fā)明由銅亞微米線纏繞而成的泡沫銅具有高孔隙率、低孔徑和孔徑分布均勻的特點(diǎn)，還具有足夠的強(qiáng)度和延伸率，可以提供充足的鋰的形核位點(diǎn)，并且通過(guò)體積變化抵消鋰枝晶產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而在包覆在泡沫銅上的氧化亞銅則可以在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中被還原成單質(zhì)銅同時(shí)生成氧化鋰，其中的氧化鋰將成為SEI重要成分，起到提高鋰離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定鋰金屬的作用。