[發明專利]一種多孔金屬集流體、制備方法、負電極及電池

有效

• 申請號: 202011167138.2
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112349911B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 車勇;曹翊;楊鵬;丁波
• 申請（專利權）人: 北京恩力動力科技有限公司;上海恩力動力技術有限公司;恩力能源科技有限公司;恩力能源科技（南通）有限公司;恩力能源科技（安徽）有限公司
• 主分類號: H01M4/70
• 分類號: H01M4/70;H01M4/80;H01M10/0525;H01M4/04
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 郭大美

本發明公開了一種多孔金屬集流體、制備方法、負電極及電池，屬于車載動力、儲能、通信用電池材料領域。本發明的多孔金屬集流體的制備方法包括步驟由樹枝狀的金屬顆粒粉末和有機物粘合劑通過預先混合后壓制，所述金屬顆粒粉末含有通過電解方法制備的電解金屬顆粒粉末，所述電解金屬顆粒粉末具有以下特征：具有樹枝狀結構，粒徑分布在0.1?100微米之間，振實密度在2.0?3.5g/cm³，純度大于90％。該集流體的孔隙率大于40％，比表面積大于集流體的幾何表面積的10倍以上，厚度為1?1000微米。

技術領域

本發明屬于車載動力、儲能、通信用電池材料領域，用于二次電池的三維結構的多孔金屬集流體、制備方法、負電極及電池。

背景技術

隨著電動汽車和大規模儲能應用的迅速發展，對鋰離子電池在能量密度，循環壽命和成本方面都提出了更高的要求。金屬鋰由于其很高的理論比容量，低電勢及輕質量被認為是極具潛力的下一代電池用負極材料。然而，金屬鋰在電化學沉積/循環過程中仍然存在巨大的挑戰，其中包括：1)鋰枝晶的生長：鋰枝晶的生長不僅會導致電池性能的衰減，而且當枝晶刺穿電池隔膜，與正極接觸后，會引發電池的內短路，造成安全問題；2)體積效應：在充放電循環過程中鋰金屬會產生無限制的體積效應，造成電極表面粉化，從而引起容量衰減；3)與電解液的副反應：鋰金屬容易與電解液發生復雜的副反應，不但會破壞鋰金屬表面SEI膜(固態電解質界面)的穩定，而且還會在鋰金屬表面形成枝晶狀或苔蘚狀的鋰，并從負極上脫落下來形成“死鋰”，這種現象會降低庫倫效率，并且增大電池的內阻，影響循環性能；4)金屬鋰的活潑性：由于金屬鋰的活性大，其在空氣中很容易與水反應造成鋰的損失，甚至由于反應速度過快和反應熱過大而造成安全事故，因而，在實際電池極片生產和電池裝配過程中，需要建設成本高昂的干燥室來進行電池的生產，造成了電池成本的上升。

目前公開的技術有：研究人員用亞微米尺度的3D銅集流體代替傳統銅箔制備了長壽命的鋰金屬負極。由于3D Cu集流體上的許多凸出的尖端都作為成核位點，提供了更均勻分布的電場，從而促進更均勻的Li沉積，抑制了枝晶形成，即使出現了一定的枝晶，也可以很好地限制在3D集流體內部,減少了穿透隔膜的風險。該集流體可以安全循環600h，在0.5mAcm²的電流密度下可以獲得98.5％的庫倫效率。研究人員還開發了多種三維集流體，如多孔銅(鎳)、碳納米管、碳纖維、石墨烯等集流體。這些集流體具有較高的比表面，能有效地抑制鋰枝晶的生長，取得了不錯的成果。因此多孔金屬集流體的研發成為至關重要的一個環節。

經過檢索，中國專利CN201811362353.0公開了一種多孔銅集流體的制備方法，包括以下步驟：提供一銅箔；將一含硫分散液附著于銅箔表面；將附著有含硫分散液的銅箔進行硫化反應；將硫化反應后的銅箔置入含氧氣氛中進行氧化熱處理；將氧化熱處理后的銅箔置入含氫氣氛中進行還原熱處理，得到多孔銅集流體。該專利通過化學熱處理得到，制備工藝復雜，且不利于企業的規模化生產。類似的還有中國專利CN201711480448.8公開了一種連續三維多孔銅集流體及其制備方法。

再如中國專利CN201810155115.6公開了一種抑制鈉枝晶的多孔鋁集流體，多孔鋁為緊密排布的三維多孔結構；厚度為1nm～3000μm；孔道尺寸應為1nm～1000μm；多孔結構集流體孔密度是10～106目。該專利中明確記載了該多孔結構集流體通過化學刻蝕法、電化學去合金化法、電化學沉積法或金屬燒結法制備得到，制備工藝復雜，生產成本高。

再如中國專利CN201510133468.2公開了一種用作金屬二次電池負極集流體的三維多孔集流體，三維多孔集流體至少一面具有多孔結構且孔容充分、厚度合適。該專利通過金屬氧化、熱還原法得到多孔的金屬銅，工藝復雜。