[發明專利]一種金屬鋰負極用銅箔的圖案化方法

有效

• 申請號: 202110259180.5
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN112928280B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 李峰;申浩瑞;白朔;譚軍;邰凱平
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 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

本發明公開了一種金屬鋰負極用銅箔的圖案化方法，屬于電池材料技術領域。本發明通過飛秒激光對銅箔表面進行圖案化處理，并經高溫還原直接作為集流體，可實現金屬鋰可控電化學沉積。本發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用提供了解決方案。

技術領域：

本發明涉及電池材料技術領域，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:

現有的負極材料中，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)等電池體系的發展，是極具發展潛力的負極材料。

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定，具有較高的電導率、成本低等優點，受到廣泛研究。鋰枝晶生長是阻礙金屬鋰負極發展的關鍵問題。鋰枝晶出現時間與電流密度成反比關系，而實際面電流密度與集流體比表面積正相關。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生的時間，其豐富的孔隙結構，也能適應鋰在循環過程中巨大的體積變化。目前研究報導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，涉及較為復雜的化學反應，工藝復雜，重復性較差，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構制備技術，具有超高的峰值功率密度(10⁸W/cm²)和飛秒級的脈沖持續時間(10^-15s)，其脈沖能量符合高斯分布，能在極短的時間內以極高的能量沖擊材料表面，僅產生極微小的加工區域，特別對于金屬材料，其熱影響區很小，加工尺度可達納米級(10^-9m)。以飛秒激光技術進行銅箔三維圖案化結構設計，可為金屬鋰負極集流體的實際化應用提供巨大的發展空間。

發明內容：

為了解決現有技術中存在的上述不足之處，本發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沉積金屬鋰。通過對氧元素分布的可控調節，實現了金屬鋰先溝槽內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。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

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；

(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，利用激光的熱效應產生刻蝕，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。