[發明專利]一種樹狀三維結構金屬材料及其制備方法與在電池中的應用

在審

• 申請號: 201810131153.8
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108364806A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發明（設計）人: 符遠翔;裴現一男;莫冬傳;呂樹申
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01M4/38
• 代理公司: 廣州市深研專利事務所 44229
• 代理人: 姜若天

本發明公開了一種樹狀三維結構金屬材料及其制備方法與在電池中的應用。包括如下步驟：（1）以金屬導體為基底，通過化學沉積的方法，在金屬導體表面長出樹狀三維結構金屬材料；（2）將電極活性材料通過組裝或者直接生長在樹狀三維結構金屬材料的內部，干燥處理后壓片得到電極。本發明采用樹狀三維結構金屬材料作為電池集流器來制備電池或電容器電極的方法，該方法可實現電極活性材料的直接組裝，也可以實現電極活性材料在原位反應制備獲得電極。將該電極應用到二次可充放電池或電容器中，明顯的提高了電池的綜合性能。

技術領域

本發明屬于能源存儲領域，具體地說，涉及一種具有樹狀三維結構材料的金屬集流器制備電池或電容器電極的方法。

背景技術

二次可充放電池（鋰硫電池、鋰鈉電池和鈉離子電池等）和電容器（電化學和超級電容器）等這些高能量密度、長循環壽命、快速充電、記憶效應不明顯等優點的蓄能裝置在便攜式電子器件、運輸工具、移動性蓄能設備、醫療器械，野外作業的用途越來越廣泛。在這些可循環充放電的蓄能裝置中，集流器是一個重要的部件，其存在蓄能裝置的正（陰）、負（陽）兩極。通常集流器選用高導電性的材料，例如銅，鋁、鎳或不銹鋼等。然而，隨著便攜式電子設備和新能源電動汽車的快速發展，市場對蓄能裝置的長壽命和高穩定性以及大容量的需求表現得格外迫切，從而激發了科技研究者對蓄能裝置中各種組成部件的研究熱情，使其具有更好的綜合電化學性能。而當前研究的熱點著重于正、負極活性材料等。以往的研究結果發現其實正、負極電極的穩定性直接影響蓄能器件的綜合壽命。當前蓄能器件電極的制備通常是在集流器上涂覆電極材料，因為需要將電極材料固定在光滑的集流器（如銅箔、鋁箔等）上，因此高分子粘合劑（聚偏氟乙烯（PVDF）或者纖維素）必不可少。此種電極裝配的電池在循環的充放電過程中，尤其是大電流密度下的充放電過程，隨著電極活性材料的體積變化以及電解液的長時間浸潤造成涂覆層容易被破壞或者結構崩塌，從而脫落。造成能量不可逆損失，并造成電池容量損失、電化學性能不穩定，甚至發生短路從而引發安全問題等問題。

已有研究人員選用了泡沫銅（S. L. Jing, Journal of Materials ChemistryA, 2014, 2, 16360-16364.）或者泡沫鎳等泡沫金屬作為集流器，研究結果表明泡沫金屬作為電池集流器能有效的提升電池的性能，不過因為泡沫金屬具有大孔通透的結構，從而并不具有普遍使用性。泡沫金屬作為電池的集流器的也有相關的專利進行報道（如趙春松等利用商業三維泡沫金屬材料作為集流器，直接將活性物質組裝然后壓片成為鋰離子電池電極《CN104577136A，具有三維結構的電池集流器及其制備方法》。也有人用一些其他的材料作為電池的集流器，石墨烯（T. Xu,Chinese Journal of Chemistry, 2017, 35, 1575-1585.）、碳布、碳纖維（Y. Z. Wan, Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3,15386-15393.）或者碳納米管（M. Y. Li, Acs Nano, 2017, 11, 4877-4884.）等，該類型材料的制備比較復雜，同時難以實現活性物質準確的控制。

由此，開發新型材料用于蓄能裝置作為集流器，對于提高蓄能裝置的性能并保證其安全具有重要的意義。早期已有瑟奇·D·洛帕汀申請了《CN201080014859.8用于電池和超電容器的多孔三維銅、錫、銅錫、銅錫鈷、及銅錫鈷鈦電極》的發明專利，不過該專利只是闡述了三維多孔材料可作為電池和超電容器的電極。同時，本研究團隊發現多孔三維銅材料在傳熱方面有很好的性能（呂樹申等，CN201610828 565.8 ;一種具有天然多尺度樹枝狀微針翅銅表面結構及其制備方法；莫冬傳等，CN201610829432.2，一種單層的微納雙尺度強化沸騰傳熱銅表面結構及其制備方法）。但是上述這些僅僅是揭示了三維材料具有蓄能和傳熱方面的性能，并沒有進一步的應用研究。

發明內容