[發(fā)明專利]體相重構(gòu)的金屬箔負(fù)極及其制備和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310365625.7
• 申請日: 2023-04-07
• 公開（公告）號: CN116387443A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王海燕;楊澤芳;胡超;張旗;唐有根
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/02;H01M10/36
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生

本發(fā)明屬于電池材料領(lǐng)域，具體公開了一種金屬箔負(fù)極體相重構(gòu)的方法，將金屬箔在等離子體輔助下熱處理，制得體相重構(gòu)的金屬箔負(fù)極；所述的金屬箔的金屬元素包括Cu，Sn，Al，Zn，Mg，Ca中的至少一種；所述的熱處理的溫度為≥0.65T，1T，所述的T為金屬箔的熔點(diǎn)溫度；熱處理階段的氣氛包含CHsubgt;4/subgt;、Osubgt;2/subgt;、Nsubgt;2/subgt;、NHsubgt;3/subgt;、CO、COsubgt;2/subgt;、Hsubgt;2/subgt;中的至少一種的功能氣。本發(fā)明還包括所述的制備方法制得的材料及其在電池中的應(yīng)用。本發(fā)明所述的工藝能夠?qū)崿F(xiàn)金屬箔的體相改性，可改善制得的材料的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明電池材料領(lǐng)域，具體涉及金屬箔負(fù)極改性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

為了避免傳統(tǒng)化石資源的過度消耗引發(fā)的能源和環(huán)境危機(jī)，急需來自太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)、瀑布、地?zé)岬鹊目稍偕鍧嵞茉垂?yīng)。然而由于時空和地理?xiàng)l件的限制，從這些來源產(chǎn)生的電能通常是間歇性的，需要高效穩(wěn)定的儲能系統(tǒng)將其存儲用于電網(wǎng)應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)機(jī)械儲能系統(tǒng)(抽水蓄能、重力儲能和壓縮空氣儲能系統(tǒng)等)，電化學(xué)儲能具有裝配靈活不受地形和氣候制約、能量密度高、功率大、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足從可穿戴/便攜式電子設(shè)備到大規(guī)模固定儲能系統(tǒng)等廣泛儲能應(yīng)用的未來需求。

研究發(fā)現(xiàn)水系金屬離子電池可完全滿足大規(guī)模儲能系統(tǒng)的要求。由于使用含水電解液不可燃的特點(diǎn)，并且在水系電解液的離子傳輸速度更快于有機(jī)電解液，水系金屬離子電池迅速成為大規(guī)模儲能系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。雖然目前已有大量致力于開發(fā)高性能水系金屬離子電池的相關(guān)研究工作，但是距離實(shí)現(xiàn)水系金屬離子電池的商業(yè)化應(yīng)用還十分遙遠(yuǎn)，依舊存在一些重要的科學(xué)問題需要解決。金屬負(fù)極表面不均勻的沉積與剝離導(dǎo)致的枝晶會直接誘導(dǎo)電池內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致電池失效。此外，金屬負(fù)極在第一個剝離步驟中，表面的不均勻溶解會導(dǎo)致空洞或裂縫的形成。由于局部高活性的內(nèi)表面暴露，在這種不均勻的表面上加劇了不可控的枝晶生長和副反應(yīng)。目前，金屬負(fù)極的主要優(yōu)化策略是傳統(tǒng)的表面改性，使電場和離子場均勻化，如構(gòu)建電子導(dǎo)向?qū)雍碗x子導(dǎo)向?qū)印Ｓ捎谠诠桃恨D(zhuǎn)換過程中體積的巨大變化和不可逆的鋅損失，保護(hù)層和鋅表面之間形成的空隙是不可避免的。因此，保護(hù)層在反復(fù)剝離后會與表面發(fā)生分裂和分離，導(dǎo)致保護(hù)層對負(fù)極的保護(hù)作用喪失。由于鋰離子電池嵌入式電極的工作機(jī)制是固-固轉(zhuǎn)換的插入/脫嵌過程，在電極表面構(gòu)建固體電解質(zhì)間相可以有效改善鋰離子電池的可逆性。然而，由于在反復(fù)剝離/沉積過程中不可避免的固-液分離，在金屬表面引入界面層可能不適合持久保護(hù)負(fù)極。此外，由于水電解質(zhì)中存在極化和弱腐蝕，在沉積/剝離反應(yīng)中庫侖效率總是低于100％，這導(dǎo)致每次剝離過程后形成一個“新鮮”的表面。深度剝離后，由于表面嚴(yán)重受損，無保護(hù)層的新鮮表面無法阻礙枝晶生長和副反應(yīng)。因此，僅優(yōu)化表面應(yīng)該不足以在長期循環(huán)中為金屬負(fù)極提供持久保護(hù)。有必要通過體相改性策略，在負(fù)極內(nèi)部/表面上建立對枝晶和副反應(yīng)有強(qiáng)大抵抗力的表面。

發(fā)明內(nèi)容

針對金屬箔負(fù)極電化學(xué)性能不理想的問題，本發(fā)明第一目的在于，提供一種金屬箔負(fù)極體相重構(gòu)的方法，旨在制備得到一種具有優(yōu)異電化學(xué)性能的金屬箔負(fù)極。

本發(fā)明第二目的在于，提供所述的方法制得的體相重構(gòu)的金屬箔負(fù)極及其在金屬電池中的應(yīng)用。

本發(fā)明第三目的在于，提供包含所述體相重構(gòu)的金屬箔負(fù)極的電池。

反復(fù)剝離固液轉(zhuǎn)變所致的表面破壞是導(dǎo)致枝晶生長和副反應(yīng)，影響金屬箔負(fù)極電化學(xué)性能的主要問題。針對該行業(yè)性問題，行業(yè)內(nèi)提供了一些金屬箔的改進(jìn)思路，但主要停留在金屬箔表面處理層面，如此仍難于適配負(fù)極的使用需求，無法抵擋負(fù)極反復(fù)循環(huán)所致的界面破壞情況。針對該行業(yè)性問題，本發(fā)明在行業(yè)內(nèi)首次提出一種體相重構(gòu)的思路，然而，研究早期發(fā)現(xiàn)，不恰當(dāng)?shù)捏w相重構(gòu)工藝，不僅難于構(gòu)建合適的體相位點(diǎn)以及界面適配性，還容易破壞金屬箔原本結(jié)構(gòu)，影響負(fù)極性能。基于此，本發(fā)明提供以下改進(jìn)方案：

一種金屬箔負(fù)極體相重構(gòu)的方法，將金屬箔在等離子體輔助下熱處理，制得體相重構(gòu)的金屬箔負(fù)極；