一种锂金属负极集流体及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于化学电源特别是锂金属电池技术领域，尤其涉及一种锂金属负极三维集流体及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池是一种广泛应用于智能便携式电子产品和电动汽车上的二次电池。然而传统锂离子电池体系常用的负极材料为石墨，其比容量较低，无法满足人们对高能量密度，高功率密度充电电池的需求。锂金属具有超高的理论容量(3860mAh g

近年来，针对锂金属负极的上述问题，研究者进行了广泛的研究。典型的解决方案包括：电解质的优化和改性，构建人造SEI膜和设计三维集流体等。其中，设计三维集流体作为锂金属的骨架结构，其较大的比表面积可降低局部电流密度，多孔结构可缓冲锂金属的体积变化。尽管如此，锂枝晶生长仍未有效阻止，同时，长循环稳定性、高倍率性能和高库伦效率的锂金属三维集流体仍亟需开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制锂枝晶生长，提高锂金属负极长循环稳定性和高倍率性能的具有二级结构的锂金属三维集流体及其制备方法与应用。采用溶剂热反应，在泡沫Ni表面原位生长一层均匀地、具有纳米多孔结构的Ni

本发明的目的通过以下技术实现的：

本发明提供了一种能抑制锂枝晶生长的锂金属负极三维集流体的制备方法。所述锂金属负极集流体是在泡沫Ni骨架上利用溶剂热反应原位生长一层具有纳米多孔结构的Ni

本发明还提供了所述具有二级结构的锂金属三维集流体的制备方法与应用。包括如下步骤：

(1)采用丙酮和稀盐酸依次对泡沫Ni进行超声清洗；

(2)将一定量硫脲前驱体于溶剂中搅拌溶解；

(3)将清洗好的泡沫Ni置于硫脲前驱体溶液中，在一定温度下，于高温高压反应釜中进行溶剂热反应；

(4)反应后的样品采用去离子水和乙醇清洗数次，并于真空干燥箱进行干燥。

上述方法中步骤(1)所述泡沫Ni为商业化泡沫Ni，其孔径为0.1-10mm，泡沫Ni尺寸为4-10cm

步骤(2)所述硫脲溶液的溶剂为水和乙醇，硫脲溶液的浓度为1-50mmol/L，体积为15-100mL。

步骤(3)所述溶剂热反应升温速率为2-10℃/min，反应温度为100-200℃，反应时间为200-500min。

步骤(4)所述干燥温度为50-100℃，干燥时间为6-48h。

本发明同时提供了上述锂金属负极集流体在锂金属电池中的应用，用于复合锂金属电极，锂金属的嵌入方法为高温锂金属熔融法和电化学沉积法。

本发明的优点和有益效果。

本发明提出了一种锂金属负极三维集流体及其制备方法和应用。该三维集流体由三维多孔结构的泡沫Ni和其表面原位生长的具有多孔纳米结构的Ni

附图说明

图1是实施例1中Ni

图2是实施例2中Ni

图3是实施例3中Ni和Ni

图4是实施例4中Ni与Ni

图5是实施例5中基于Ni和Ni

具体实施方式

以下通过具体的实施案例以及附图说明对本发明作进一步详细的描述，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

若无特殊说明，本发明的所有原料和试剂均为常规市场的原料、试剂。

实施例1

根据下列步骤制备Ni

1).将尺寸为2cm×3cm的泡沫Ni分别用丙酮、6mol/L稀盐酸、超声清洗10min，然后用去离子水清洗三次，再用无水乙醇清洗三次，得到处理干净的泡沫Ni。

2).配置浓度为2.89mmol/L的硫脲水溶液，常温搅拌分散30min。

3).将清洗完成的泡沫Ni放入装有15mL硫脲溶液的高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至150℃并保持5h。所得材料用乙醇洗涤三次，室温真空干燥。

图1是实施例1所得泡沫Ni进行水热反应后的扫描电子显微镜图像。

实施例2

根据下列步骤制备Ni

1).将尺寸为2cm×4cm的泡沫Ni分别用丙酮、4mol/L稀盐酸、超声清洗20min，然后用去离子水清洗三次，再用无水乙醇清洗三次，得到处理干净的泡沫Ni。

2).配置浓度为28.9mmol/L的硫脲水溶液，常温搅拌分散30min。

3).将清洗完成的泡沫Ni放入装有25mL硫脲溶液的高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至200℃并保持3h。所得材料用乙醇洗涤三次，室温真空干燥。

图2是实施例2所得泡沫Ni进行水热反应后的扫描电子显微镜图像。

实施例3

本实施例探究了锂金属在Ni@Ni

以厚度为350μm的锂箔为负极、1M LiTFSI DOL/DME(体积比1∶1)+1wt％LiNO

图3(a)和图3(b)是实施例3中，电流密度为0.5mA cm

实施例4

本实施例测试了在不同电流密度下，锂金属在Ni和基于实施例1中的Ni

图4(a)和图4(b)是实施例4所得到的放电容量-电压图。泡沫Ni表面原位生长的Ni

实施例5

本实施例测试了基于实施例1中Ni

首先，对Ni和Ni

以上述得到的复合锂金属负极Ni@Li和Ni

图5是实施例5所得全电池在室温下的循环性能图，循环倍率为5C。经过700圈的循环后，LiFePO

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。