[发明专利]一种多级复合结构三维集流体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种多级复合结构三维集流体及其制备方法，所述的三维集流体为三维基体/金属纳米颗粒/聚多巴胺复合结构的集流体，所述的的三维基体上修饰有呈现梯度分布的金属纳米颗粒，并由聚多巴胺均匀包覆在外层；所述的多级复合结构三维集流体通过离子溅射法和浸渍法制备得到。本发明制备得到的多级复合结构三维集流体具有的特殊梯度结构分布的金属纳米颗粒能降低锂的成核过电位，提升储锂能力，促进锂离子传输，从而诱导锂离子均匀沉积，最终实现抑制锂枝晶的生长，进而提升锂金属电池的循环性能和安全性能。

技术领域

本发明属于锂金属电池负极材料领域，涉及一种多级复合结构三维集流体及其制备方法。

背景技术

锂金属负极一直以来都被人们称之为电极材料中的“圣杯”，这是由于相比于其他负极材料，锂金属负极同时具有超高的理论比容量（3860 mAh g^-1），最低的还原电位（-3.04V vs 标准氢电极）和较低的体积密度（0.53 g cm^-3）三大特性。不过，锂金属电池在循环过程中发生的锂离子沉积不均匀，会导致锂枝晶的生成并向着隔膜方向无限生长，进而导致库伦效率降低，循环寿命缩短以及电池短路或爆炸等安全问题，这些问题也严重阻碍着锂金属电池的大规模商业化应用。

为了解决锂金属电池负极存在的枝晶生长的问题，最重要的一点就是诱导锂离子均匀沉积，从而实现无枝晶生长。影响锂离子沉积的因素主要包括锂离子传导率，锂离子通量，成核过电位，局部电流密度以及SEI膜的稳定性。基于这些影响因素，抑制锂枝晶的方法大概可以分为以下六种：电解质添加剂、固态电解质、高浓度电解液、人造SEI膜、隔膜改性和负极结构化。相比于其他方法，负极结构化中常用的三维集流体已经被证实能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长，先进的锂金属负极结构化设计是增强锂金属电池性能最直接的方法，也是目前最具发展潜力的方法之一。复合机构三维集流体是目前金属负极结构化设计方法中最常用和最具发展潜力的策略，这是因为三维材料本身具有的多孔空间结构能够提供锂离子传输通道，容纳沉积锂金属的体积无限膨胀，并且降低局部电流密度，从而为抑制锂枝晶的生长奠定了坚实基础，对三维基体加以修饰，能够进一步提高锂金属电池的电化学性能。

现有技术中使用的三维结构材料提供的高比表面积也大大促进了锂金属负极和电解液之间的副反应，另外，不同材料的亲锂性的差异也会影响锂沉积的成核过电位。因此，需要设计一种合理的复合结构三维材料，使其具有较高的亲锂性，能诱导锂离子均匀沉积，减少副反应的发生，进一步提升锂金属电池的电化学性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多级复合结构三维集流体及其制备方法，该多级复合结构三维集流体具有的特殊梯度结构分布的金属纳米颗粒能降低锂的成核过电位，提升储锂能力，促进锂离子传输，从而诱导锂离子均匀沉积，最终实现抑制锂枝晶的生长，进而提升锂金属电池的循环性能和安全性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种多级复合结构三维集流体，所述的三维集流体为三维基体/金属纳米颗粒/聚多巴胺复合结构的集流体，所述的三维基体上修饰有呈现梯度分布的金属纳米颗粒，并由聚多巴胺均匀包覆在外层。

在本发明的优选的实施方案中，所述的三维基体选自碳纤维纸或碳布。由碳纤维组成的碳纤维纸所具有的特殊三维多孔结构，能够在锂金属电池的充放电循环中减小局部电流密度。

在本发明的优选的实施方案中，所述的多级复合结构三维集流体通过离子溅射法和浸渍法制备得到。

本发明还保护一种多级复合结构三维集流体的制备方法，所述的三维集流体为三维基体/金属纳米颗粒/聚多巴胺复合结构的集流体，包括以下步骤：

（1）对三维基体进行预处理，去除三维基体表面的杂质；

（2）用离子溅射法对碳纤维纸进行修饰，使其具有梯度分布的金属纳米颗粒；

（3）配置Tris-HCl缓冲溶液，将多巴胺放入缓冲溶液中，并均匀搅拌，得到聚多巴胺溶液；