[發明專利]誘導鋰金屬負極優先橫向沉積的銅基集流體及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202110264303.4
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113036153A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 邊秀房;楊映暉;王軍長;孫辰翊
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/134;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 張宏松

本發明涉及一種誘導鋰金屬負極優先橫向沉積的銅基集流體及其制備方法與應用，所述集流體在銅基箔片表面原位生長或異位修飾有氧化鋅層和銅納米片陣列，氧化鋅層平鋪在銅基箔片表面，銅納米片陣列垂直穿過氧化鋅層與銅基箔片基底連接。本發明的集流體致密的氧化鋅層降低平行方向上的電荷密度，阻止鋰金屬在集流體垂直方向上的沉積生長。親鋰的銅納米片陣列與氧化鋅層協同作用，誘導鋰金屬優先橫向沉積，抑制鋰枝晶的產生，從而提高鋰金屬電池的安全性和循環壽命。

技術領域

本發明涉及一種誘導鋰金屬負極優先橫向沉積的銅基集流體及其制備方法與應用，屬于電池技術領域。

技術背景

當今社會對新能源汽車和儲能提出了越來越高的要求，使用石墨負極的傳統鋰離子電池在應對這些要求時逐漸力不從心，因此各個領域亟需具有更高能量密度的新一代電池體系。鋰金屬具有高的理論比容量(3680mAh/g)，最低的還原電位(-3.04V vs.SHE)及極小的密度(0.534g/cm³)，是用作鋰電池負極的理想材料。在此背景下，鋰金屬負極的研發成為針對下一代電池體系戰略部署中不可或缺的重要環節。

然而，鋰金屬負極在實際使用時仍存在相當嚴重的問題，其中最讓人詬病的是由鋰金屬的不均勻沉積誘發的鋰枝晶。鋰枝晶不但會造成“死鋰”，導致SEI膜的反復生長和電解液的快速消耗，降低電池性能并縮短其使用壽命，還會刺穿隔膜造成電池的短路并引發熱失控，嚴重時還會導致火災或爆炸等重大事故。

構建具備三維結構的集流體能夠顯著增加鋰金屬的有效沉積面積，從而降低局部電荷密度，能夠有效地抑制鋰枝晶的產生。目前已經公開了多種鋰金屬負極三維集流體及其制備方法，但這些方法沒有對鋰金屬的沉積方向進行誘導和限制，因此對鋰金屬負極的性能提升及壽命延長效果有限。

如中國專利文獻CN110828828A公開了一種3D多孔鋅負載集流體，包括3D多孔集流體以及復合在3D多孔集流體骨架上的金屬鋅。該發明創新地在3D多孔集流體的骨架上復合金屬鋅；該結構的集流體可以有效維持鈉或鉀金屬沉積過程中的骨架穩定；同時，均勻分布在孔隙骨架上的所述的金屬鋅可以誘導金屬鈉或鉀成核，使鈉或鉀沉積過程中充分利用3D集流體的有效比表面積，實現無枝晶的鈉或鉀沉積和長的循環壽命，但是該3D多孔鋅負載集流體無法對金屬負極的沉積方向進行誘導或限制。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種誘導鋰金屬負極優先橫向沉積的銅基集流體，該集流體能夠誘導鋰金屬優先橫向沉積，用于提升鋰金屬負極的電化學性能。

本發明的第二個目的是提供一種誘導鋰金屬負極優先橫向沉積的銅基集流體的制備方法。本發明的方法成本低廉，可放大且可控性強。

本發明的第三個目的是提供一種誘導鋰金屬負極優先橫向沉積的銅基集流體的應用。

為達到上述目的，本發明是通過如下技術方案實現的：

一種誘導鋰金屬負極優先橫向沉積的銅基集流體，所述集流體為在銅基箔片表面原位生長或異位修飾有氧化鋅層和銅納米片陣列，氧化鋅層平鋪在銅基箔片表面，銅納米片陣列垂直穿過氧化鋅層與銅基箔片基底連接。

根據本發明優選的，氧化鋅層的厚度為100～2000nm。

根據本發明優選的，銅納米片陣列的銅納米片的厚度為10～80nm，銅納米片陣列的高度為0.5～5μm。

氧化鋅層為導電性差的致密的氧化鋅層。銅納米片陣列為導電性良好的銅納米片陣列。

根據本發明優選的，銅納米片陣列的銅納米片表面修飾有氧化鋅納米顆粒，氧化鋅納米顆粒的粒徑小于等于10nm。