[發明專利]三維導電骨架及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010975521.4
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112054209A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 邱昭政;趙育松;李文龍;丁易;梁世碩
• 申請（專利權）人: 昆山寶創新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/78;H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/052
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 肖陽

本發明公開了三維導電骨架及其制備方法和應用，方法包括：(1)將氮源和硫源與含有NaCO₃和NaHCO₃的水溶液混合，得到導電緩沖溶液；(2)將三維導電骨架基體依次在有機溶劑和濃酸中浸泡；(3)以步驟(2)得到的三維導電骨架基體為工作電極、以Pt為對電極、以Ag/AgCl為參比電極、導電緩沖溶液為電解液組裝三電極電解池；(4)向步驟(3)中的工作電極施加電壓，然后進行熱處理，得到三維導電骨架。采用該方法可以得到親鋰性好的三維導電骨架，從而可以負載更高含量的鋰金屬，并減少三維骨架與鋰金屬之間的接觸電阻，改善充放電過程中電流密度不均問題，并且采用該方法得到的三維導電骨架制備的鋰金屬負極比容量更高、鋰枝晶抑制效果更好，倍率性能更佳。

技術領域

本發明屬于電池領域，具體涉及一種三維導電骨架及其制備方法和應用。

背景技術

由于消費市場中電子產品功能日趨齊全，且消費者對電子產品使用時長要求越來越長。在電動汽車領域續航里程短仍然是限制電動車普及的一大痛點。這些市場需求都要求電池向高能量密度發展。如此趨勢要求下一代電池要使用更高容量的電極材料。其中負極材料從石墨向鋰金屬負極的轉變可以明顯提升動力電池的能量密度。

鋰(Li)金屬由于具有超高的理論比容量(3860mAh g^-1)、輕的質量密度(0.53g cm^-3)和最大負電勢(-3.04V)，被視為高能量密度電池的理想負極。因此，鋰金屬電池在未來能源儲存方面具有廣闊的應用前景。然而金屬鋰在實際應用中仍面臨著諸多挑戰。例如，在循環過程中鋰負極由于電流密度不均易產生枝晶，鋰枝晶逐漸長大容易導致正負極短路，造成安全風險。且在充放電過程中，電極體積發生劇烈變化，造成電池結構發生變化，導致電池性能不穩定。因此，為了實現鋰金屬電池的實際應用，抑制鋰枝晶的生長并減少電極體積的變化迫在眉睫。目前抑制鋰枝晶常見的策略是在鋰負極表面形成穩定的固體電解質界面(SEI)。但是，構建的SEI膜通常不夠穩定，并可能在電池循環中逐漸被破壞。另外，固態電解質被用于鋰金屬電池中來抑制鋰枝晶并顯著提升電池安全性。然而，固態電解質往往存在界面阻抗大，離子電導率低及工作條件苛刻等缺點。近年來，通過電沉積法在三維集流體中預儲存鋰構建高性能鋰負極，它們極大降低電極極化，提高了電池的性能。然而，這種方法不僅工藝比較復雜，且依舊存在不均勻鋰沉積等問題。

最近，簡單地熔融法構筑高性能鋰負極受到了廣泛的關注。具體來說，通過將熔融金屬鋰灌注入三維碳基框架中，以此構建的鋰負極不僅能有效抑制了鋰枝晶，而且也極大地避免鋰負極在循環過程中巨大的體積變化等問題。然而，大多碳基框架的親鋰性較差，其表面需要修飾ZnO或Si層等來提高其親鋰性。然而，這類金屬基修飾層相不僅極大地增加鋰負極的質量密度，還降低鋰負極的比容量和穩定性。因此，制備具有優異親鋰性和穩定性的碳基三維骨架對于構建理想的高性能鋰負極是極其重要的。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種三維導電骨架及其制備方法和應用，采用該方法可以得到親鋰性好的三維導電骨架，從而可以負載更高含量的鋰金屬，并減少三維骨架與鋰金屬之間的接觸電阻，改善充放電過程中電流密度不均問題，并且采用該方法得到的三維導電骨架制備的鋰金屬負極比容量更高、鋰枝晶抑制效果更好，倍率性能更佳。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備三維導電骨架的方法。根據本發明的實施例，所述方法包括：

(1)將氮源和硫源與含有NaCO₃和NaHCO₃的水溶液混合，得到導電緩沖溶液；

(2)將三維導電骨架基體依次在有機溶劑和濃酸中浸泡，然后進行洗滌和干燥；

(3)以步驟(2)得到的三維導電骨架基體為工作電極、以Pt為電極、以Ag/AgCl為參比電極、步驟(1)得到的所述導電緩沖溶液為電解液組裝三電極電解池；