[發明專利]一種三維柔性金屬負極及其制備方法

有效

• 申請號: 202010051675.4
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111403678B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 李真
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/36;H01M4/66;H01M4/70
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;孔娜

本發明屬于金屬二次電池領域，并公開了一種三維柔性金屬負極及其制備方法。該方法包括下列步驟：(a)配置金屬納米線墨水，選取海綿并將該海綿浸入金屬納米線墨水中浸泡直至飽和，取出海綿干燥，獲得三維柔性集流體；(b)選取金屬負極，將三維柔性集流體作為正極，利用該正極和金屬負極組裝扣式半電池；(c)將扣式半電池進行電沉積，使得金屬負極沉積在三維柔性集流體上，拆解扣式半電池，獲得表面沉積有金屬負極的三維柔性集流體，即所需的三維柔性金屬負極。本發明還公開了上述方法制備獲得的產品。通過本發明，降低金屬成核過電勢，吸收并釋放電沉積過程中產生的應力，以此解決金屬負極中枝晶生長的問題。

技術領域

本發明屬于金屬二次電池領域，更具體地，涉及一種三維柔性金屬負極及其制備方法。

背景技術

隨著人類社會和現代科技的飛速發展，傳統化石能源(煤炭、石油和天然氣)的過度需求導致了大量的資源消耗和惡劣的生存環境問題，因此，開發高效的新型清潔能源和儲能技術變得愈加迫切，其中二次電池作為具有較高效能的儲能技術具有十分重要的研究意義，金屬鋰，鈉和鋅憑借其高的理論比容量，被認為是下一代高功率、高能量密度二次電池中發展潛力巨大的負極材料。

盡管上述金屬二次電池擁有非常高的比能量密度，但是在充放電過程中，金屬鋰，鈉和鋅負極仍然存在兩個主要問題限制著其實際應用：其一，在不斷的金屬沉積/溶解過程中會傾向于形成樹枝狀枝晶，持續生長的枝晶會穿透隔膜，造成電池內部短路，可能引發起火災和爆炸等嚴重的安全問題；其二，金屬枝晶的肆意生長會導致劇烈的體積膨脹負極粉化，從而影響金屬二次電池的穩定性和循環性能，縮短電池壽命。因此，保證無枝晶的金屬沉積是實現高安全金屬二次電池的最基本要求。近年來，科研工作者們投入了大量精力提出了一系列改進策略，其中構建三維集流體被認為是一種行之有效的方式，中國科學院化學研究所郭玉國研究團隊(Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,1094)報道了一種Al包覆的親鋰性3D Cu@Al集流體，實現了金屬Li的均勻沉積，在一定程度上控制了嚴重的Li枝晶生長問題；北京科技大學范麗珍研究團隊(Energy Storage Mater.2018,15,274)報道了一種三維多孔CuNWs@Cu集流體，實現了金屬鈉可控的沉積，并有效的抑制了鈉枝晶的生長；中南大學梁叔權研究團隊(Chem.Eng.J.2020,379,122248)報道了一種三維泡沫銅集流體，在一定程度上有效的調控鋅枝晶的生長；盡管上述工作在一定程度上緩解了金屬二次電池所存在的問題，但所采用的襯底都是剛性結構，并且整體結構對金屬鋰、鈉和鋅無親和性，因此無法從根源上解決金屬枝晶的生長。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種三維柔性金屬負極及其制備方法，通過選取柔性三維集流體以及金屬鋰、鈉和鋅具有良好親和性的金屬納米線，降低金屬成核過電勢，吸收并釋放電沉積過程中產生的應力，以此解決金屬負極中枝晶生長的問題。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種三維柔性金屬負極的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)配置金屬納米線墨水中，選取海綿并將該海綿浸入所述金屬納米線墨水中浸泡直至飽和，取出所述海綿干燥，獲得三維柔性集流體；

(b)選取金屬負極，將所述三維柔性集流體作為正極，利用該正極和負極組裝扣式半電池；

(c)將所述扣式半電池進行電沉積，使得所述金屬負極沉積在所述三維柔性集流體上，拆解所述扣式半電池，獲得表面沉積有金屬負極的三維柔性集流體，即所需的三維柔性金屬負極；在所述電沉積過程中，所述三維柔性集流體降低金屬成核過電勢，吸收并釋放電沉積過程中產生的應力，抑制金屬負極枝晶的生長，以此提高三維柔性金屬負極的循環穩定性和倍率性能。

進一步優選地，在步驟(a)中，所述金屬納米線墨水中金屬納米線的直徑和長度分別為40nm～200nm和5μm～100μm；金屬納米線墨水所用溶劑為無水乙醇或異丙醇，金屬納米線墨水優選為銀納米線墨水或金納米線墨水，該金屬納米線墨水的濃度為0.03～0.18mol/L。