[發(fā)明專利]一種金屬鋰負極用銅箔的圖案化方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202110259180.5 | 申請日： | 2021-03-10 |
| 公開（公告）號： | CN112928280B | 公開（公告）日： | 2022-06-07 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 李峰;申浩瑞;白朔;譚軍;邰凱平 | 申請（專利權(quán)）人： | 中國科學(xué)院金屬研究所 |
| 主分類號： | H01M4/66 | 分類號： | H01M4/66;H01M4/1395;B23K26/352 |
| 代理公司： | 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002 | 代理人： | 于曉波 |
| 地址： | 110016 遼*** | 國省代碼： | 遼寧;21 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 金屬 負極 銅箔 圖案 方法 | ||
本發(fā)明公開了一種金屬鋰負極用銅箔的圖案化方法，屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過飛秒激光對銅箔表面進行圖案化處理，并經(jīng)高溫還原直接作為集流體，可實現(xiàn)金屬鋰可控電化學(xué)沉積。本發(fā)明飛秒激光制備的圖案化銅箔，利用氧元素分布差異，可有效調(diào)控金屬鋰的沉積，使金屬鋰在銅箔上的沉積容量得到提高。本發(fā)明工藝過程簡單，可提高銅箔比表面積、體積利用率和金屬鋰電池能量密度，為銅箔集流體在金屬鋰電池中的應(yīng)用提供了解決方案。
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種銅箔集流體的飛秒激光圖案化方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)有的負極材料中，金屬鋰具有最高比容量(3860mAh/g)、低密度(0.53g/cm3)和最低氧化還原電位(-3.04V vs.標準氫電極)等特點，能極大地提高當前鋰離子電池的能量密度，可促進新型高能量密度的Li-S(2600Wh/kg)及Li-O2(3500Wh/kg)等電池體系的發(fā)展，是極具發(fā)展?jié)摿Φ呢摌O材料。
銅是最常用的金屬鋰負極集流體材料，充放電條件下對鋰較為穩(wěn)定，具有較高的電導(dǎo)率、成本低等優(yōu)點，受到廣泛研究。鋰枝晶生長是阻礙金屬鋰負極發(fā)展的關(guān)鍵問題。鋰枝晶出現(xiàn)時間與電流密度成反比關(guān)系，而實際面電流密度與集流體比表面積正相關(guān)。平面銅箔的缺點在于比表面積低，且表面微小的尖端凸起和雜質(zhì)都可能會成為鋰集中形核位點，因此在高電流密度下極易生長鋰枝晶，刺穿隔膜造成電池微短路。三維集流體具有較高的比表面積，可有效延長枝晶開始產(chǎn)生的時間，其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，也能適應(yīng)鋰在循環(huán)過程中巨大的體積變化。目前研究報導(dǎo)的銅三維集流體主要是泡沫銅，然而泡沫銅體積大，密度高，犧牲了部分電池能量密度。銅親鋰性較差，鋰無法均勻地沉積在銅骨架表面，目前各種親鋰化改進方法，涉及較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，工藝復(fù)雜，重復(fù)性較差，使得銅集流體的實用化改進存在較大的難度。
飛秒激光是一種新型微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，具有超高的峰值功率密度(108W/cm2)和飛秒級的脈沖持續(xù)時間(10-15s)，其脈沖能量符合高斯分布，能在極短的時間內(nèi)以極高的能量沖擊材料表面，僅產(chǎn)生極微小的加工區(qū)域，特別對于金屬材料，其熱影響區(qū)很小，加工尺度可達納米級(10-9m)。以飛秒激光技術(shù)進行銅箔三維圖案化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可為金屬鋰負極集流體的實際化應(yīng)用提供巨大的發(fā)展空間。
發(fā)明內(nèi)容：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬鋰負極用銅箔的圖案化方法，通過飛秒激光在銅箔表面進行圖案化加工，在高溫條件下將銅箔表面氧化物還原，作為三維集流體電化學(xué)沉積金屬鋰。通過對氧元素分布的可控調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了金屬鋰先溝槽內(nèi)后溝槽外的次序性沉積過程，使金屬鋰在銅箔上的沉積容量得到有效提高。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
一種金屬鋰負極用銅箔的圖案化方法，該制備方法是利用飛秒激光器對銅箔進行圖案化，具體包括如下步驟：
(1)去除銅箔表面油污、雜質(zhì)；
(2)將銅箔干燥后，固定于由計算機控制的二維精密位移臺上；
(3)飛秒激光光束聚焦，使光斑直徑縮小至10μm以下；
(4)控制飛秒激光在銅箔駐留時間，利用激光的熱效應(yīng)產(chǎn)生刻蝕，按所需加工圖案編寫二維精密位移臺控制程序，控制激光輸出和二維精密位移臺的運動，在銅箔上形成所需圖案；
(5)清潔圖案化后的銅箔表面；
(6)將圖案化銅箔進行熱還原處理，保溫后自然冷卻取出，立即在充滿氬氣的手套箱中裝電池。
步驟(1)中，將銅箔在無水乙醇中超聲處理10-30min，以去除表面油污和雜質(zhì)。
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