[发明专利]一种锂金属负极集流体及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锂金属负极三维集流体及其制备方案和应用。该三维集流体为泡沫Ni表面原位生长Ni₃S₂纳米片的集流体。具体步骤包括：(1)将泡沫Ni进行超声清洗；(2)将清洗后的泡沫Ni置于一定浓度的硫脲溶液中，在一定温度下进行溶剂热反应，在泡沫Ni表面原位生长Ni₃S₂，一步法获得Ni₃S₂@Ni；(3)对得到的Ni₃S₂@Ni进行电化学、原位与非原位表征。其优点在于：(1)Ni₃S₂@Ni具有较大的比表面积，可有效降低局部电流密度，并为锂金属的沉积提供丰富的位点；(2)其三维多孔结构为锂金属的沉积和溶解提供了缓冲空间；(3)Ni₃S₂活化后的产物较高的锂离子电导率及其原位生长的三维交联的独特结构有效提高了锂离子扩散系数，加速了锂金属沉积/溶解的动力学过程。基于此，锂金属在该集流体表面实现了均匀的沉积，有效抑制了锂枝晶的生长，电池的库伦效率和循环稳定性明显提高。该集流体具有制备方法简单、生产周期短、成本低、循环稳定性高的特点。

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^-1)和最低的还原电位(-3.04V vs标准氢电极)，被认为是最理想的负极材料。但锂金属电池的广泛应用依然未能实现，原因主要在于两点：一、锂金属在充放电过程中的不均匀沉积/溶解过程造成锂枝晶生长，锂枝晶会刺穿隔膜，造成电池短路甚至严重的爆炸问题。二、锂金属高的反应活性和循环过程的体积膨胀的问题导致活性锂和电解液不断消耗，造成库伦效率低、循环寿命短，严重阻碍了锂金属电池的实际应用。

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Ni₃S₂纳米片。该集流体具有较大的比表面积，较高的锂离子电导率和锂离子扩散系数，在液态电池中表现出良好的循环稳定性和高倍率性能。

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Ni₃S₂。所述纳米多孔结构为Ni₃S₂纳米片相互搭接而成，并均匀地分布在泡沫Ni骨架上。

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。