[发明专利]一种调控金属材料晶面取向的方法及其获得的金属材料和应用

说明书

本发明涉及一种调控金属材料晶面取向的方法及其获得的金属材料和应用，方法包括以下两个步骤，通过引入残余应力，再通过低温退火调控金属材料的晶面取向，获得择优甚至是单一晶面取向，用于调控金属材料的电化学电子‑离子交换过程，获得高活性和高均匀性的金属界面，并成功用于电池金属负极材料、金属负极集流体材料和电催化领域。

技术领域：

本发明属于金属材料晶面取向调控方法技术领域，具体涉及一种调控金属材料晶面取向的方法及其获得的材料，以及在电化学领域中的应用。

背景技术：

金属材料在能源材料领域有着极为广泛的应用，二次金属电池由于其高的理论比容量和工作电压近年来也得到了广泛的发展，然而金属负极在沉积/剥离(金属负极)或者脱出/嵌入(合金化负极)离子过程中面临着枝晶生长，结构膨胀，和反应活性低等问题，因此其发展受到了严重的限制。使用金属材料作为HER和二氧化碳还原等催化反应的电极材料，因为催化活性低导致高的过电位，使得催化效率低，也阻碍其在催化领域上的应用。

在金属电极材料的制备过程中，晶面取向的因素往往容易被忽视，然而，不同晶面取向所暴露的界面结构对金属沉积有着重要的影响，且商业化的集流体材质也往往是多晶面取向且无规律分布的。不同的晶面取向有着不同的反应活性，这意味着金属在沉积剥离的过程中受到晶面的影响，其生长速度会有显著差异，不利于金属的均匀沉积和剥离。通过简易且可规模化生产的方法来合成具有高反应活性择优的晶面或者单一晶面取向的金属材料，用于消除因为晶面性质差异而诱导的枝晶生长，可以显著提升金属负极循环稳定性，进而推进金属负极的产业化应用。

另外，单一和择优晶面取向的材料在能源催化，电子电工材料上也有着重要的应用，特定晶面取向的金属材料及其合成方法在这些领域中有潜在的应用价值。

发明内容：

因为金属界面晶面取向差异会影响材料的导电性、光学性质等其它物理化学性质。本发明的首要目的旨在提供一种简单，低能耗、可工业化生产的方法来调控金属界面的晶面取向，可以极大的推动金属晶面调控的产业化进展。

一种调控金属材料晶面取向的方法，包括以下步骤：

⑴选用具有残余应力的金属材料；优选采用包括压延、剪切或者拉伸方法中的至少一种获得残余应力，进一步优选采用压延的方法；

⑵退火获得具有单一晶面取向或者高择优晶面取向的金属材料；其中，高择优晶面取向是指某一种晶面取向占比达到所有晶面取向的80％以上，优选85％以上；但未达到100％。

本发明主要是通过预施加压应力产生的残余应力来提供额外的晶体生长与融合的动力。除了压应力外，剪切应力、拉应力等产生的残余应力也可以起到类似的效果。

本发明能快速地通过机械对辊方法，将金属箔材或网状材料引入机械应力，然后生成残余应力，可以为诱导金属发生晶粒融合与长大提供动力。通过热应力退火来直接驱动晶粒融合与转向行为，这种驱动力不是表面能驱动，而是残余应力驱动。

上述的方法，通过对金属材料的箔材或者网状材料施加100MPa-4000 MPa的压应力；优选200-1000MPa，进一步优选200-600MPa。

优选压延次数1-10次；进一步优选1-6次，最优选4-6次。且对金属材料暴露的晶面结构没有显著的变化。

上述的方法，压延速率在0.1-2m/s；优选0.1-0.6m/s，进一步优选0.4-0.6m/s。这种较为快速的压力会在金属基底中产生较大的残余应力。

上述的方法，所述的金属材料是具有高度延展性的金属材料，优选包括：Zn、Fe、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Pt中的至少一种。