[发明专利]多孔铜微米空心球集流体的生产方法

说明书

本发明提供了一种多孔铜微米空心球集流体的生产方法，具体包括多孔铜微米空心球的制备方法及集流体的制备方法。其中多孔铜微米空心球的制备方法为湿化学法，具体采用锌微米球或氧化锌微米球作为自牺牲模板得到多孔空心结构。集流体的制备方法为物理法，具体采用液相涂布、高温烧结、旋涂、丝网印刷、3D打印等。本发明提出的微米级多孔铜微米空心球的制备方法使得锂金属能够充分容纳在多孔铜微米空心球内部，增大了锂金属的负载量。通过本发明方法得到的三维多孔结构的铜微米空心球集流体，大大降低了三维铜集流体的质量，释放锂沉积过程中的应力，可使锂金属容纳在多孔铜微米空心球的孔隙中，持续增大锂金属的负载量，且有效抑制锂枝晶生长。

技术领域

本发明涉及一种多孔铜微米空心球集流体的生产方法，属于储能电池技术领域。

背景技术

铜的储量丰富，价格低廉，具有优异的导电性能，在较低的电位下很难与锂形成锂铜合金，该锂铜合金是目前最为理想的锂金属负极集流体材料之一。传统负极集流体是铜箔，但平面铜箔作为负极集流体因其比表面积小易出现较大的局部电流，使得电池循环过程出现锂枝晶的概率增大，造成电池短路，且铜的密度大，而集流体是非活性物质对电池的能量没有贡献，这些都会影响锂电池的寿命、安全和能量密度。纵然三维多孔铜集流体可以解决锂金属电池(LMBs)存在的关键问题，但由于铜(8.960g cm^-3)密度远高于锂(0.534gcm^-3)，且为非活性材料，不提供任何容量的同时却占据了一定的体积和质量，严重阻碍了电池质量比容量和体积比容量的提升，这也是三维铜基集流体在未来储能器件应用中亟需解决的问题。通过构建新型集流体可以改变金属锂的沉积方式，促使电流和锂离子在负极表面均匀分布。三维结构的集流体可以增大集流体的比表面积，减小电流密度，与此同时三维结构还能够消除金属锂在剥离/沉积过程中的体积变化从而达到消除锂枝晶的目的。

有鉴于此，确有必要提出一种多孔铜微米空心球集流体的生产方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔铜微米空心球集流体的生产方法，以减小电池的安全隐患，增加电池的寿命和稳定性，提高锂金属电池的能量密度，不但简化生产操作，而且降低污染、能耗以及成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种多孔铜微米空心球集流体的生产方法，主要步骤包括：

步骤1，取锌粉或氧化锌粉和铜的络合物，铜的络合物溶解于溶剂中，得到混合溶液；

步骤2，将混合溶液放置在160～180℃环境下置换反应2～6h；

步骤3，置换反应后在250℃～300℃环境下退火，

步骤4，在刻蚀溶剂中进行刻蚀后，经真空干燥，以得到形状规整的多孔铜微米空心球粉末；

步骤5，将步骤4中得到的多孔铜微米空心球粉末和粘结剂以20:1的质量比进行研磨混合，滴加微量的有机溶液，使其充分浸润多孔铜微米空心球粉末；

步骤6，在600～800r/min的速度下搅拌2～4h，以得到混合均匀的浆料；

步骤7，通过液相涂布、高温烧结、旋涂、丝网印刷和3D打印的方法将多孔铜微米空心球与铜箔结合；

步骤8，在真空及25～60℃的条件下干燥，得到多孔铜微米空心球集流体。

作为本发明的进一步改进，在步骤1中，所述反应物锌粉或氧化锌粉为微米级别的反应物锌粉或氧化锌粉。

作为本发明的进一步改进，在步骤1中，所述铜的络合物是乙酰丙酮铜、硫酸四氨合铜或氢氧化四氨合铜。

作为本发明的进一步改进，在步骤1中，所述溶解铜的络合物的溶剂为乙二醇或甲醇。

作为本发明的进一步改进，在步骤3中，所述置换反应的方法为溶剂热法或油浴加热法。