[發(fā)明專利]一種制備碳包覆三維多孔銅集流體的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110792701.3
• 申請(qǐng)日: 2021-07-13
• 公開（公告）號(hào): CN113564524B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳子博;黃婧;韓旭然;雷琳娜;陳劍宇;劉顯慧;何倩;吳強(qiáng);焦云飛;應(yīng)世強(qiáng);李誼;馬延文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué);南京億浦先進(jìn)材料研究院有限公司
• 主分類號(hào): C23C14/06
• 分類號(hào): C23C14/06;C23C14/32;B22F3/11;B22F3/24;H01M4/66
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責(zé)任公司 32102
• 代理人: 范丹丹

本發(fā)明揭示了一種制備碳包覆三維多孔銅集流體的方法，以粉末燒結(jié)法制備三維多孔銅骨架，再通過弧光放電等離子體物理氣相沉積法在其表面鍍一層均勻的碳膜，得到碳包覆三維多孔銅（C@3D?Cu）集流體。本發(fā)明以粉末燒結(jié)法制備三維多孔銅骨架，再通過弧光放電等離子體物理氣相沉積法在其表面鍍一層均勻的碳膜，得到碳包覆三維多孔銅（C@3D?Cu）集流體。這種碳包覆三維多孔銅的復(fù)合結(jié)構(gòu)改善了材料的機(jī)械強(qiáng)度并有效提高電池的容量的保持率、壽命及循環(huán)穩(wěn)定性。該方法原理簡(jiǎn)單，成本較低，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備碳包覆三維多孔銅集流體的方法，可用于鋰金屬電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于金屬鋰具有3860?mAh·g^-1的高理論容量和-3.04?V（vs?SHE.）的低氧化還原電位，鋰金屬電池（LMBs）有望成為下一代高能量?jī)?chǔ)能設(shè)備之一，然而，由鋰枝晶引發(fā)的安全問題阻礙了鋰金屬電池的商業(yè)化生產(chǎn)。在強(qiáng)電場(chǎng)和大極化作用下，異質(zhì)沉積導(dǎo)致的枝晶生長(zhǎng)，會(huì)不斷破壞固體電解質(zhì)界面膜（SEI），造成活性物質(zhì)的不可逆損失，致使電池循環(huán)效率及容量保持率低下。另外，枝晶生長(zhǎng)也可能刺穿隔膜，造成電池短路甚至爆炸等安全問題，這些都嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的商業(yè)化生產(chǎn)。集流體在鋰離子電池中作為負(fù)載鋰的基體金屬，其材料和結(jié)構(gòu)直接影響金屬鋰的沉積行為，進(jìn)而影響鋰金屬電池的電化學(xué)性能。現(xiàn)有的負(fù)極集流體如銅箔在電解液的浸泡下易發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，降低了其導(dǎo)電性能。因此，制備能夠抑制枝晶鋰的生長(zhǎng)且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高負(fù)載鋰的集流體，是高能量密度電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提出一種制備碳包覆三維多孔銅集流體的方法。

本發(fā)明的目的將通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)：一種制備碳包覆三維多孔銅集流體的方法，以粉末燒結(jié)法制備三維多孔銅骨架，再通過弧光放電等離子體法在其表面鍍一層均勻的碳膜，得到碳包覆三維多孔銅集流體。

優(yōu)選地，該方法包括以下步驟：

S1：清潔：將粒徑均勻的銅粉用超純水和無水乙醇多次清洗后，置于60℃恒溫真空干燥箱干燥12h以上；

S2：研磨：將S1步驟清洗后的銅粉倒入研缽中，研磨至粉體無大塊凝結(jié)，且均勻細(xì)膩；控制銅粉粒徑、研磨時(shí)間，其中，銅粉粒徑分布為1～10μm，研磨時(shí)間為30～60min。

S3：燒結(jié)：稱取一定質(zhì)量經(jīng)清洗、研磨的Cu粉，將Cu粉填充在模具中，并施加壓制壓力制備粉末壓坯；將裝有粉末壓坯的模具放入沉積腔中，打開真空泵，將沉積腔內(nèi)抽至真空，再通入惰性氣體，設(shè)置沉積腔溫度和升溫速率，并保溫一段時(shí)間；裝有粉末壓坯的模具材質(zhì)為石英或陶瓷材質(zhì)。

優(yōu)選地，在所述S2步驟中，銅粉粒徑為5μm，研磨時(shí)間為50min；裝有粉末壓坯的模具材質(zhì)為石英模具，通入的惰性氣體為Ar，

優(yōu)選地，在所述S3步驟中，控制沉積腔內(nèi)真空度、溫度、升溫速率及保溫時(shí)間，其中沉積腔真空度為2×10^-5～8×10^-5Pa，在本技術(shù)方案中，優(yōu)選沉積腔真空度為5×10^-5Pa；溫度為800℃～1000℃；升溫速率為1～10℃/min，保溫時(shí)間為3～5h。

優(yōu)選地，在所述S3步驟中，沉積腔真空度為5×10^-5Pa，溫度為900℃，升溫速率為5℃/min，保溫時(shí)間為4h。

優(yōu)選地，該方法優(yōu)選包括以下步驟：

清潔：將顆粒粒徑分布在5μm的銅粉用超純水和無水乙醇多次清洗后，置于真空干燥箱中，在60℃下恒溫干燥12h以上；

研磨：將清洗后的Cu粉倒入研缽中，研磨50min，使粉體無大塊凝結(jié)，且均勻細(xì)膩；