[發(fā)明專利]一種鋰金屬電池的銅基集流體的制備方法及應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011151249.4
• 申請(qǐng)日: 2020-10-25
• 公開（公告）號(hào): CN112259743A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶占良;史金強(qiáng);馬明鑰;王蕊;鮑俊全;孫田將;李海霞;梁靜;陳軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/66
• 分類號(hào): H01M4/66;H01M10/052
• 代理公司: 天津耀達(dá)律師事務(wù)所 12223
• 代理人: 侯力

一種鋰金屬電池銅基集流體的制備方法及應(yīng)用，屬于電池技術(shù)領(lǐng)域。銅基集流體為銅箔負(fù)載的聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、納米二氧化硅以及塑化劑組成的有機(jī)?無機(jī)復(fù)合涂層集流體。該保護(hù)涂層兼具良好的柔性和機(jī)械強(qiáng)度，可以適應(yīng)鋰金屬在循環(huán)過程中的體積變化并有效抑制鋰枝晶的生長。而且，保護(hù)涂層較高的離子電導(dǎo)率能保證鋰離子快速通過，其含有的極性官能團(tuán)能有效調(diào)節(jié)表面鋰離子分布，二者的協(xié)同作用可誘導(dǎo)鋰在保護(hù)涂層與銅箔之間均勻沉積/溶解，從而提高了電池的庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性。該集流體具有制備工藝簡單，質(zhì)量輕等特點(diǎn)，對(duì)電池能量密度影響小。基于此集流體的金屬鋰電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)電源特別是鋰金屬電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于保護(hù)涂層修飾的銅基集流體及其在鋰金屬電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著新能源體系和社會(huì)的發(fā)展，化學(xué)電源領(lǐng)域特別是鋰電池發(fā)展方向逐漸從電子消費(fèi)產(chǎn)品轉(zhuǎn)向動(dòng)力電池領(lǐng)域。近年來，新能源汽車作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)品在政策扶持下獲得了長足發(fā)展。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心，對(duì)于提升新能源汽車的續(xù)航里程，安全性以及對(duì)極端天氣的適應(yīng)能力具有至關(guān)重要的意義。因此，開發(fā)具有高能量密度的安全可靠的動(dòng)力電池體系是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，也是下一代電池體系的發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上，鋰金屬由于具有高理論比容量(3680mAhg^-1)以及最負(fù)的還原電位(-3.04Vvs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極)被認(rèn)為是取代傳統(tǒng)石墨負(fù)極的理想負(fù)極材料，鋰金屬電池被認(rèn)為是下一代理想的電池體系。基于鋰金屬負(fù)極的鋰硫電池已經(jīng)在小型無人機(jī)領(lǐng)域初步應(yīng)用，顯示出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

然而，鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用還存在一定的問題。在鋰金屬的沉積/溶解過程中，由于集流體的不平整以及局部不均勻的液相傳質(zhì)，將會(huì)導(dǎo)致鋰金屬的不均勻沉積，帶來嚴(yán)重的體積膨脹，同時(shí)尖端效應(yīng)會(huì)加速鋰枝晶的生長，導(dǎo)致SEI膜的不斷重構(gòu)以及產(chǎn)生失去電化學(xué)活性的“死鋰”，降低體系的庫侖效率和循環(huán)壽命。更有甚者，不斷生長的鋰枝晶會(huì)刺穿隔膜，造成電池短路從而使電池體系局部過熱，帶來嚴(yán)重的安全問題。

對(duì)于鋰金屬負(fù)極的改進(jìn)方法包括電解液體系的改良、三維集流體的設(shè)計(jì)以及SEI膜的構(gòu)建等。電解液改良工程由于可控性較低，難以從根本上解決體積膨脹和枝晶生長問題；三維集流體可以分散電流密度，一定程度上抑制枝晶生長，但受限于工藝的復(fù)雜性以及較高的成本，制約著其大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)一種工藝簡單的集流體顯得至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有鋰金屬負(fù)極在循環(huán)過程中存在的體積膨脹及枝晶生長等問題，提供一種基于保護(hù)涂層修飾的銅基集流體的制備方法及應(yīng)用。本發(fā)明提供的銅基集流體由聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、納米二氧化硅和塑化劑等組成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合保護(hù)涂層，能有效調(diào)節(jié)鋰離子分布并促進(jìn)鋰金屬均勻沉積，抑制鋰枝晶生長，提高鋰金屬電池的安全性能。該集流體具有制備工藝簡單、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，對(duì)電池能量密度影響小，基于此集流體的鋰金屬電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術(shù)方案

一種用于鋰金屬電池的銅基集流體，為銅箔負(fù)載的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合涂層集流體。該銅基集流體包括銅箔基底，基底表面為聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、納米二氧化硅以及塑化劑組成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合保護(hù)涂層。本發(fā)明直接對(duì)商業(yè)化平面銅箔基底進(jìn)行涂層保護(hù)修飾。

本發(fā)明提出的具有保護(hù)涂層修飾的銅基集流體的制備方法為，將溶解有聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、塑化劑及分散有納米二氧化硅的DMF溶膠液體用制備器涂覆于銅箔基底上；隨后在60-80℃的真空環(huán)境下干燥處理12h，得到所述的銅基集流體。所用溶劑為N,N-二甲基甲酰胺。溶膠液體中聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、納米二氧化硅、塑化劑和DMF的質(zhì)量比為2-2.2:1.8-2:1-1.2:2.8-3:2。納米二氧化硅的尺寸為10-12nm。塑化劑為溶解有1mol/L雙三氟甲基磺酰亞胺鋰的體積比為1:1的碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯混合溶液。

在對(duì)銅箔基底進(jìn)行涂層保護(hù)之前需進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方式為將銅箔依次用硫酸、丙酮、無水乙醇、超純水進(jìn)行清洗。