[發明專利]一種三維混合離子電子導體集流體及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810739579.1
• 申請日: 2018-07-06
• 公開（公告）號: CN108808008B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 羅加嚴;張嬋媛;劉山
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/70
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 琪琛

1.一種三維混合離子電子導體集流體的制備方法，其特征在于，所述集流體的三維纖維網絡結構包括電子導體纖維網絡和均勻負載在所述電子導體纖維網絡上的離子導體顆粒；所述電子導體纖維網絡采用碳纖維，所述碳纖維的平均直徑為200～500nm；所述離子導體顆粒采用LLZO、LLTO或LATP納米陶瓷顆粒，所述離子導體顆粒的平均粒徑為10～25nm；

該方法按照以下步驟進行：

(1)前驅體溶液配制：將用于形成電子導體的高分子聚合物、用于形成離子導體的金屬鹽和絡合劑溶于溶劑中，攪拌直至獲得均一溶液；所述高分子聚合物為聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯腈，其在前驅體溶液中的濃度為0.05～0.20kg/L；所述金屬鹽為能夠形成LLZO、LLTO或LATP納米陶瓷顆粒的金屬鹽，所述金屬鹽在前驅體溶液中的濃度按化學計量比能夠換算為0.05～0.15mol/L的LLZO、LLTO或LATP納米陶瓷顆粒；所述絡合劑為檸檬酸，其在前驅體溶液中的濃度為0.10～0.30mol/L；

(2)靜電紡絲：將步驟(1)配好的前驅體溶液通過靜電紡絲儀制備絕緣的靜電紡絲膜；其中，紡絲電壓為15～20kV，注射器針頭推注速度為0.30～0.80ml/h，注射器針頭到鋁箔接收器間的距離為15～20cm，紡絲時間為1～3h；

(3)高溫煅燒：將步驟(2)得到的靜電紡絲膜在180～250℃空氣中預氧化3～5h，升溫速率1～5℃/min；后在800～1000℃保護氣中煅燒3～5h，升溫速率5～10℃/min，完全結晶、碳化后，得到三維混合離子電子導體集流體。

2.根據權利要求1所述的一種三維混合離子電子導體集流體的制備方法，其特征在于，所述集流體的厚度為50～500μm。

3.根據權利要求1所述的一種三維混合離子電子導體集流體的制備方法，其特征在于，所述離子導體顆粒和所述電子導體纖維網絡的質量比為1:1～4:1。

4.根據權利要求1所述的一種三維混合離子電子導體集流體的制備方法，其特征在于，所述溶劑為去離子水或DMF；當去離子水作為溶劑時，所述高分子聚合物為聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮，所述金屬鹽為能夠形成LLZO納米陶瓷顆粒的金屬鹽；當DMF作為溶劑時，所述高分子聚合物為聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯腈，所述金屬鹽為能夠形成LLTO或LATP納米陶瓷顆粒的金屬鹽。

5.根據權利要求1所述的一種三維混合離子電子導體集流體的制備方法，其特征在于，所述三維混合離子電子導體集流體在高達5mA cm^-2電流密度或高達20mAh cm^-2沉積容量的鋰金屬電池中能夠穩定循環，可用于高達20C倍率的鋰-磷酸鐵鋰電池中。