[發明專利]金屬鋰電極的制備方法、三維網絡狀多孔金屬骨架集電體的制備方法

在審

• 申請號: 202011230320.8
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112349882A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 黃建宇;戴秋實;楊海泊;張利強;唐永福
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;H01M4/134;H01M4/62;H01M4/66;H01M4/80;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 葛凡

本發明提供一種金屬鋰電池電極三維網絡狀多孔金屬架構和金屬鋰負極的制備方法，方法包括：按將金屬鋰與銅箔的質量比為10～100:1的比例，將金屬鋰加熱融化后加入銅箔混合，高速攪拌以形成復合金屬鋰負極。去除金屬鋰可得到三維網絡狀多孔金屬架構。其中三維網絡狀多孔架構作為復合金屬鋰負極的基體，可以有效地抑制金屬鋰電池在循環過程中的鋰離子不均勻沉積和金屬鋰負極的體積膨脹。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，涉及了一種金屬鋰電池三維網絡狀多孔金屬架構材料和金屬鋰電極的制備方法以及鋰離子電池。

背景技術

伴隨著全球能源需求的不斷高漲，尋找新的儲能體系已經成為新能源相關領域的熱點。傳統商用的基于插層式石墨負極液態電池很難滿足安全動力電池的需求，開發新型安全、高容量和長壽命的鋰離子電池體系迫在眉睫。金屬鋰由于其高比容量(3860mA h/g)，超低電化學電勢(-3.04Vvs.H⁺/H₂)和低密度(0.59g cm^-3)被認為是理想的高能量密度負極材料。

然而目前金屬鋰負極的使用主要面臨著兩大問題，首先，金屬鋰表面在不斷的電沉積過程中，由于局部鋰離子的液相傳質流量不同，導致鋰的不均勻沉積，從而含有液態電解質的鋰離子電池在循環中導致鋰枝晶的產生，鋰枝晶會刺穿隔膜導致電池短路產生過熱或引起爆炸等安全問題。其次金屬鋰電極在循環過程中會經受劇烈的體積膨脹和收縮，導致SEI膜破裂和重復生長，使得庫倫效率降低，循環性差,從而限制了金屬鋰電極的商業使用。

針對以上金屬鋰負極在循環過程中的體積膨脹問題，Hailong Qiu等通過融溶鋰加泡沫銅的方法制得的3D架構金屬鋰負極，增加金屬鋰附近內部的均勻性。然而，這種方法操縱成本較高，并且制得的3D架構金屬鋰負極沒有可塑性，不能大規模生產(參照下述文獻1)。Lei-Lei Lu等通過化學合成法制得銅納米線，并用電鍍鋰的方法制得復合金屬鋰負極，增加金屬鋰附近內部的均勻性。然而，這種制備方法較為復雜成本較高，且用化學合成制得的銅納米線不能完全處理干凈，在組裝成電池后會影響電化學性能(參照下述文獻2)。朱彥武公開了一種金屬鋰電池負極骨架材料及其制備方法和金屬鋰電池負極，利用豆制品和氫氧化鉀反應，然后高溫使其碳化制得碳骨架，利用電化學沉積方法得到金屬鋰電極，實驗方法較為復雜，并且制備出來的金屬鋰負極不能大規模生產(參照下述文獻3)。

吳愷等公開了一種復合金屬鋰負極、制備方法及金屬鋰電池，所述金屬鋰負極由三維集流體框架和表面包覆層構成，其中三維骨架為三維碳骨架、三維泡沫銅、三維泡沫鎳，因為這種三維骨架沒有非常好的可塑性和可加工性，并且三維碳骨架和泡沫銅和泡沫鎳的空隙率較大并不能非常好的促進鋰的均勻沉積，在一定程度上會影響鋰電池的循環性能(參照下述文獻4)。

文獻1：3D Porous Cu Current Collectors Derived by Hydrogen BubbleDynamic Template for Enhanced Li Metal Anode Performance；Advanced FunctionalMaterials,2019,29.

文獻2:Free-Standing Copper Nanowire Network Current Collector forImproving Lithiμm Anode Performance；Nano Letters,2016,16,7,4431–4437

文獻3：中國專利201810251548.1

文獻4.中國專利201910769543.2

然而，上述解決金屬鋰電池在循環過程中的鋰離子不均勻沉積導致鋰枝晶的生長和金屬鋰負極在電池循環過程中的體積膨脹的方法都并非簡便易行，能工業化應用的解決上述兩大問題的技術方案仍是產業界迫切需要的。

發明內容