[发明专利]金属锂电极的制备方法、三维网络状多孔金属骨架集电体的制备方法

说明书

本发明提供一种金属锂电池电极三维网络状多孔金属架构和金属锂负极的制备方法，方法包括：按将金属锂与铜箔的质量比为10～100:1的比例，将金属锂加热融化后加入铜箔混合，高速搅拌以形成复合金属锂负极。去除金属锂可得到三维网络状多孔金属架构。其中三维网络状多孔架构作为复合金属锂负极的基体，可以有效地抑制金属锂电池在循环过程中的锂离子不均匀沉积和金属锂负极的体积膨胀。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及了一种金属锂电池三维网络状多孔金属架构材料和金属锂电极的制备方法以及锂离子电池。

背景技术

伴随着全球能源需求的不断高涨，寻找新的储能体系已经成为新能源相关领域的热点。传统商用的基于插层式石墨负极液态电池很难满足安全动力电池的需求，开发新型安全、高容量和长寿命的锂离子电池体系迫在眉睫。金属锂由于其高比容量(3860mA h/g)，超低电化学电势(-3.04Vvs.H⁺/H₂)和低密度(0.59g cm^-3)被认为是理想的高能量密度负极材料。

然而目前金属锂负极的使用主要面临着两大问题，首先，金属锂表面在不断的电沉积过程中，由于局部锂离子的液相传质流量不同，导致锂的不均匀沉积，从而含有液态电解质的锂离子电池在循环中导致锂枝晶的产生，锂枝晶会刺穿隔膜导致电池短路产生过热或引起爆炸等安全问题。其次金属锂电极在循环过程中会经受剧烈的体积膨胀和收缩，导致SEI膜破裂和重复生长，使得库伦效率降低，循环性差,从而限制了金属锂电极的商业使用。

针对以上金属锂负极在循环过程中的体积膨胀问题，Hailong Qiu等通过融溶锂加泡沫铜的方法制得的3D架构金属锂负极，增加金属锂附近内部的均匀性。然而，这种方法操纵成本较高，并且制得的3D架构金属锂负极没有可塑性，不能大规模生产(参照下述文献1)。Lei-Lei Lu等通过化学合成法制得铜纳米线，并用电镀锂的方法制得复合金属锂负极，增加金属锂附近内部的均匀性。然而，这种制备方法较为复杂成本较高，且用化学合成制得的铜纳米线不能完全处理干净，在组装成电池后会影响电化学性能(参照下述文献2)。朱彦武公开了一种金属锂电池负极骨架材料及其制备方法和金属锂电池负极，利用豆制品和氢氧化钾反应，然后高温使其碳化制得碳骨架，利用电化学沉积方法得到金属锂电极，实验方法较为复杂，并且制备出来的金属锂负极不能大规模生产(参照下述文献3)。

吴恺等公开了一种复合金属锂负极、制备方法及金属锂电池，所述金属锂负极由三维集流体框架和表面包覆层构成，其中三维骨架为三维碳骨架、三维泡沫铜、三维泡沫镍，因为这种三维骨架没有非常好的可塑性和可加工性，并且三维碳骨架和泡沫铜和泡沫镍的空隙率较大并不能非常好的促进锂的均匀沉积，在一定程度上会影响锂电池的循环性能(参照下述文献4)。

文献1：3D Porous Cu Current Collectors Derived by Hydrogen BubbleDynamic Template for Enhanced Li Metal Anode Performance；Advanced FunctionalMaterials,2019,29.

文献2:Free-Standing Copper Nanowire Network Current Collector forImproving Lithiμm Anode Performance；Nano Letters,2016,16,7,4431–4437

文献3：中国专利201810251548.1

文献4.中国专利201910769543.2

然而，上述解决金属锂电池在循环过程中的锂离子不均匀沉积导致锂枝晶的生长和金属锂负极在电池循环过程中的体积膨胀的方法都并非简便易行，能工业化应用的解决上述两大问题的技术方案仍是产业界迫切需要的。

发明内容