[發明專利]一種鋰金屬負極集流體及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110689890.1
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113422064A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 劉全兵;潘嘉杰;石凱祥;李俊豪;曾令才;劉桂崢
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/134
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 顏希文

本發明公開了一種鋰金屬負極集流體及其制備方法和應用，涉及鋰金屬電池領域，制備步驟為：S1、將金屬鎳基集流體裁剪、清洗并干燥；S2、采用硫源、脂肪二胺和有機溶劑制得反應溶液；S3、將反應溶液和金屬鎳基集流體加入聚四氟乙烯反應釜中反應，隨后清洗并干燥，再將其放置于鋰箔上，并滴加鋰鹽溶液，隨后蓋置另一片鋰箔，用夾子固定并靜置，進行清洗并干燥，即得鋰金屬負極集流體成品；該鋰金屬負極集流體成品表面復合設置有一維纖維狀/二維納米片狀/三維互聯網狀硫化鎳，且應用于鋰金屬電池。本申請通過多維硫化鎳降低電流密度，從而抑制鋰枝晶的生長并減緩體積膨脹，延長電池的循環壽命。

技術領域

本發明涉及鋰金屬電池的技術領域，尤其涉及一種鋰金屬負極集流體及其制備方法和應用。

背景技術

人類社會發展與能源技術密不可分，以煤、石油、天然氣為代表的化石能源在其中發揮了重要作用，推動了人類社會的發展。但近年來，隨著化石能源的過度開發和全球氣候變暖等問題不斷突出，能源和環境面臨著前所未有的挑戰。

鋰離子電池是最具研究前景的二次電池，本身具有諸多的優勢，包括：環境友好、安全性能高、充放電循環壽命長、自放電低等優異的特點，已經成為了動力電池領域的重要研究方向。同時由于現階段石墨負極的實際容量已接近其理論容量(372mAh·g^-1)，已難以滿足高速發展的電子器件的需求，而鋰金屬負極具有高理論比容量(3860mAh g^-1)、低密度(0.534g·cm^-3)和低電極電位(-3.04V vs.標準氫電極)等優點而被稱為“圣杯”電極，尤其是作為二次電池的負極材料時，可以極大地提高電池的能量密度，被認為是下一代二次電池的理想負極材料。

盡管擁有以上諸多優點，鋰金屬用作電池的負極材料仍然面臨許多問題，主要包含以下方面：鋰金屬作為無“宿主”負極材料，隨著充放電的進行，其體積變化在鋰金屬的反復沉積/溶出的過程中趨于無限大，遠遠高于石墨負極(10％)和硅基負極(400％)；同時，鋰金屬電極電位低，還原性強，反應活性高，能與大部分電解液發生反應，形成一層固體電解質薄膜(SEI膜)，隨著反復充放電的進行，電極體積不斷變化，SEI膜也會不斷破裂與形成，使得電解液不斷被消耗，導致電池的庫倫效率降低。除此之外，在充放電的過程中，由于局部電流密度的差異，鋰金屬會趨向于不均勻沉積，最終產生鋰枝晶，一部分鋰枝晶斷裂造成“死鋰”，進而降低電池的循環壽命，另一部分鋰枝晶不斷生長最終刺破隔膜，導致電池短路，容易引發安全事故。

發明內容

本發明提供了一種鋰金屬負極集流體及其制備方法和應用，通過在集流體表面形成一維/二維/三維硫化鎳的導電網絡結構，以緩解鋰金屬的體積膨脹，同時生成穩定的SEI膜以抑制鋰枝晶的生長，提高了電池的庫倫效率和循環壽命，以解決現階段鋰離子負極集流體的體積膨脹和鋰枝晶生長的技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明實施例之一提供了一種鋰金屬負極集流體的制備方法，包括以下步驟：

S1、將金屬鎳基集流體裁剪成設定尺寸大小，進行清洗和干燥；

S2、將硫源溶解于脂肪二胺中，并加入有機溶劑，混合制得反應溶液；

S3、將所述反應溶液和所述S1獲得的金屬鎳基集流體依次加入聚四氟乙烯反應釜中，水浴反應后冷卻至室溫；

S4、對所述S3獲得的金屬鎳基集流體清洗并干燥，獲得一維纖維狀/二維納米片狀/三維互聯網狀硫化鎳復合金屬鎳集流體；

S5、將所述一維纖維狀/二維納米片狀/三維互聯網狀硫化鎳復合金屬鎳集流體放置于預先準備的鋰箔上，并滴加鋰鹽溶液使一維纖維狀/二維納米片狀/三維互聯網狀硫化鎳復合金屬鎳集流體潤濕，再在上方蓋置另一片鋰箔，用夾子固定并靜置，即得鋰金屬負極集流體成品；

S6、將所述S5制得的鋰金屬負極集流體成品清洗并干燥。