[發明專利]一種碳膜包覆的三維集流體的制備方法

在審

• 申請號: 202010750488.5
• 申請日: 2020-07-30
• 公開（公告）號: CN111916755A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 張自博;劉兆平;周旭峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/74;H01M4/04;H01M10/0525
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 張雪嬌

本發明提供了一種碳膜包覆的三維集流體的制備方法，包括：S1)采用三電極體系，以三維集流體為工作電極，在包含高分子前驅體的電解液中進行電化學聚合，得到高分子包覆的三維集流體；S2)將所述高分子包覆的三維集流體進行高溫碳化，得到碳膜包覆的三維集流體。與現有技術相比，本發明通過電聚合再碳化的方式實現在三維集流體上進行界面修飾，實現在三維集流體上形成有利于形成穩定SEI膜的導電高分子材料，并通過碳化過程使三維集流體與碳膜之間形成一定的空間，緩解膨脹，可限域金屬鋰的沉積，并且鋰沉積在限域空間內有碳膜的阻隔，可減少鋰與電解液的接觸；同時，可通過濃度、電聚合條件調節碳膜前驅體的厚度，從而調節碳膜厚度。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種碳膜包覆的三維集流體的制備方法。

背景技術

商用鋰離子電池自1991年引入以來就得到廣泛的使用，眾多研究者因此將更多的精力投入到鋰離子電池的研究中。但由于鋰離子電池能量密度的局限性，不能滿足人們日益增長的需求，目前鋰離子電池的比能量為250Wh/kg，而鋰硫電池和鋰空氣電池可分別達到650Wh/kg和950Wh/kg，因此高比容量(3860Wh/kg)、低標準氧化還原電位(-3.045V)和低原子量的金屬鋰成為下一代鋰二次電池的理想負極。

然而鋰電池在充電過程中鋰離子還原時其反復沉積和析出的過程中，負極表面容易形成樹枝狀金屬鋰，即鋰枝晶。鋰金屬在循環過程中不均勻的沉積導致枝晶的形成造成無限的體積膨脹效應使得鋰金屬本體發生破碎，同時造成SEI膜的破裂，新鮮的鋰又與電解液發生反應再生，既消耗了電解液，又損失活性的金屬鋰。

目前，常通過以下方法改善鋰枝晶的產生：在平面銅上涂敷高分子，如PVDF、PEO、PVA、PAN等高分子材料；或者在銅上涂敷LLZTO、MOF等無機材料。但是涂覆高分子材料不利于形成穩定的SEI膜，且相對鋰是化學活性的，會發生一些副反應，并且厚度不易控制，同時在高電壓的條件下，高分子材料容易被氧化，導致其不穩定，再者涂敷的方法只適合在平面結構上實現均勻化操作，不利于在更優化的三維集流體上操作。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種連續均勻非等勢碳膜包覆的三維集流體的制備方法。

本發明提供了一種碳膜包覆的三維集流體的制備方法，包括：

S1)采用三電極體系，以三維集流體為工作電極，在包含高分子前驅體的電解液中進行電化學聚合，得到高分子包覆的三維集流體；

S2)將所述高分子包覆的三維集流體進行高溫碳化，得到碳膜包覆的三維集流體。

優選的，所述高分子前驅體選自吡咯、苯胺、噻吩與乙炔中的一種或多種。

優選的，所述電解液中高分子前驅體的濃度為0.05～0.5mol/L。

優選的，所述電解液中還包括電解質；所述電解液中電解質的濃度為0.05～1mol/L。

優選的，所述電解質選自對甲苯磺酸、甲苯磺酸鈉、植酸、十二烷基苯磺酸與十二烷基苯磺酸鈉中的一種或多種；所述三維集流體選自鐵網、不銹鋼網、鈦網、鉬網、泡沫鎳、碳纖維布或碳布。

優選的，所述電化學聚合的電位為0.5～1V；所述電化學聚合的時間為1～60min。

優選的，所述高溫碳化的溫度為400℃～1000℃；所述高溫碳化的時間為1～2h。

本發明還提供了一種上述制備方法所制備的碳膜包覆的三維集流體；所述三維集流體表面包覆有連續均勻的非等勢碳膜；且所述非等勢碳膜與三維集流體之間設置有空隙。

優選的，所述非等勢碳膜中摻雜有雜原子。

優選的，所述非等勢碳膜與三維集流體之間的距離為1～5μm。