[发明专利]三维复合集流体及其制备方法和应用

说明书

本申请属于锂金属电池技术领域，尤其涉及一种三维复合集流体及其制备方法和应用，三维复合集流体包括泡沫金属和至少结合在泡沫金属的多孔表面的纳米金属氢氧化物层，在纳米金属氢氧化物层的背离泡沫金属的表面还结合有碳层。在泡沫金属表面的沉积纳米金属氢氧化物层，进一步增大三维复合集流体的表面积，从而分散电流密度、减缓体积膨胀，纳米金属氢氧化物层表面结合的碳层，可以与锂反应生成LiC₆以及LiOH的亲锂结构，使锂离子流均匀化，有利于锂金属负极在循环过程中的形貌控制，可以缓解电池在充放电过程中的体积膨胀和抑制枝晶生长，提升电池的循环寿命。

技术领域

本申请属于锂金属电池技术领域，尤其涉及一种三维复合集流体及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池自从诞生以来，以能量密度高、环境友好、安全性能高、自放电低等优势，已经成为目前满足动力电池、高功率电子器件和便携式设备等领域的重要应用方向。

尽管锂离子电池在新能源技术领域获得了长足发展，但随着人们对电子设备的需求以及使用频率的增高，目前现有的锂离子电池以越来越接近理论能量密度。为此，为顺应人类发展需要，锂金属电池具有理论能量密度高(3860mAh/g)、还原电位低(-3.04V比标准氢电位)和密度低等特点，有望成为潜在的高能量密度电池之一。

锂金属负极作为锂金属电池的重要研究方向，目前仍然面临诸多问题，主要包含以下方面：锂金属负极在循环充放电过程中会产生明显的体积膨胀，由于局部电流分布的差异，锂金属负极表面会产生枝晶形貌，枝晶在不断长大后会刺穿隔膜，接触正极，引发短路；锂金属负极的还原电位为-3.04V，电极电位低，还原性强，反应活性高，能与大部分电解液发生反应，容易与电解质发生反应生成一层固体电解质(SEI)膜，随着在循环充放电进行，锂金属负极发生体积变化，导致SEI膜的不断生成.这种现象会不断消耗锂金属负极和电解质，降低锂金属电池的库伦效率；在电池随循环过程发生，锂金属会断裂形成死锂，降低电池循环寿命。

发明内容

本申请的目的在于提供一种三维复合集流体及其制备方法和锂电池负极，旨在一定程度上解决现有锂电池负极集流体库伦效率低、工作稳定性差、循环寿命低的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种三维复合集流体，包括泡沫金属和至少结合在泡沫金属的多孔表面的纳米金属氢氧化物层，在纳米金属氢氧化物层的背离泡沫金属的表面还结合有碳层。

优选地，泡沫金属包括泡沫镍、泡沫铝、泡沫铜中的至少一种；和/或

纳米金属氢氧化物层包括纳米氢氧化镍层、纳米氢氧化铝层、纳米氢氧化铜层、纳米氢氧化镁层、纳米氢氧化钒层、纳米氢氧化钴层、纳米氢氧化钼层、纳米氢氧化铁层、纳米氢氧化锌层中的至少一种；和/或

碳层包括直立石墨烯、纳米碳中的至少一种。

优选地，纳米金属氢氧化物层的纳米金属氢氧化物微粒为纳米片状。

第二方面，本申请提供一种三维复合集流体的制备方法，包括以下步骤：

将泡沫金属、可溶性金属盐、pH调节剂于溶剂中进行沉淀反应，得到纳米金属氢氧化物/泡沫金属复合集流体；

将纳米金属氢氧化物/泡沫金属复合集流体进行碳层沉积处理，得到碳包覆纳米金属氢氧化物/泡沫金属复合集流体。

优选地，沉淀反应为水热反应；和/或

进行沉淀反应时，溶剂中还添加有形貌调节剂；和/或

沉淀反应的pH为10～11，反应温度为50℃～120℃；和/或

碳层沉积处理在碳氢气中进行；和/或

碳层沉积处理的处理温度为300℃～900℃。