[發明專利]一種復合金屬氧化物表面修飾的鋰金屬電池負極集流體的制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110197382.1
• 申請日: 2021-02-22
• 公開（公告）號: CN112952102B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 王鋼;吳琦辰;謝淑紅;黃俏;黃建宇
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/134;H01M10/0525
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所(普通合伙) 43108
• 代理人: 冷玉萍

本發明公開一種復合金屬氧化物表面修飾的鋰金屬電池負極集流體的制備方法與應用。本發明首先將復合金屬氧化物分散在有機溶劑中，攪拌得到均勻漿液后，將其均勻地涂覆到負極集流體上，經蒸發溶劑后，在惰性氣體保護下進行煅燒，即得到復合金屬氧化物表面修飾的鋰金屬電池負極集流體。本發明中的金屬氧化物經高溫煅燒后會與負極集流體相互滲透螯合，形成較為穩定的復合層，該復合層不僅能在充放電過程中保證結構穩定，而且能夠對鋰離子的沉積起到疏導的作用，使鋰離子均勻沉積在集流體一側，從而有效抑制鋰枝晶的生長，為鋰金屬電池的利用率、循環穩定性和安全性提供了保障。

技術領域

本發明涉及鋰金屬電池負極材料及電化學領域，具體涉及一種復合金屬氧化物表面修飾的鋰金屬電池負極集流體的制備方法與應用。

背景技術

近幾年來隨著綠色能源的不斷發展，傳統鋰離子電池的能量密度增長速率已經不能跟上需求，對于電化學儲能裝置的研究也隨之得到了極大的關注。鋰金屬作為最理想的負極材料具有超高的理論比容量以及最低的電化學電位。鋰金屬負極既可以被應用于空氣、硫等新型正極材料相匹配，也可以與傳統正極材料組裝成全電池，從而達到高功率、高能量密度動力電池材料的要求。然而高活性的鋰金屬能與大部分的有機電解液發生反應，在其表面形成一層質脆的固態電解質界面薄膜，大量消耗了鋰金屬和電解液，使得整個電池在循環過程中的庫倫效率較低，同時也導致了較差的循環性能。并且鋰金屬在電池循環過程中反復電鍍/剝離，容易形成枝晶，它能輕易刺穿隔膜從而引起電池短路失效，甚至會引起熱失控等一系列安全問題。為了能讓鋰金屬負極實現產業化，就必須解決上述的問題，對此國內外研究人員作了大量的改性工作。例如，Cheng Yang研究團隊通過將三聚氰胺泡沫浸泡在不同的敏化溶液中，構建由導電到不導電的三位骨架結構。此骨架結構能在鋰金屬的沉積過程中，引導鋰從上至下致密且均勻地沉積，從而達到抑制枝晶的效果進而提升電池的循環穩定性(Energy Storage Materials 24，2020，700–706)。俞書宏研究團隊通過將含銅的前驅體溶液混合加熱攪拌，逐漸收集溶液表面的銅納米纖維，再經過一系列的蒸發、干燥和熱處理以得到銅納米纖維薄膜，作為負極集流體。此自支撐銅纖維集流體在鋰金屬沉積的過程中能有效抑制鋰枝晶的生長，即使在大電流密度7.5mA/cm²下充放電，依舊能展現出優異的循環性能(Nano Lett.2016,16,4431-4437)。以上研究的成果均是為鋰金屬的沉積提供了骨架結構，為解決枝晶的生長問題提供了一些新的思路，然而這些材料的制備方法操作繁瑣，難以大規模生產。

發明內容

本發明的目的是針對當前鋰金屬負極在循環過程中由于鋰離子的不均勻沉積而引起的枝晶生長，進而導致循環性能不佳、庫倫效率低、安全性能差等問題，提供一種復合金屬氧化物表面修飾鋰金屬電池負極集流體的制備方法與應用，從而能夠有效疏導鋰離子的沉積，以抑制鋰枝晶的生長，實現鋰金屬電池的循環穩定性和安全性能的提升。

本發明的技術方案是：

將復合金屬氧化物分散在有機溶劑中，得均勻的漿料；然后將漿料均勻涂覆在負極集流體表面，揮發溶劑后進行煅燒；經煅燒后復合金屬氧化物能夠與負極集流體形成螯合物復合層并作為結構穩定的“疏導層”覆蓋在負極集流體表面，即得到復合金屬氧化物修飾的鋰金屬負極集流體。