[发明专利]一种超分支氧化的多孔金属负极集流体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超分支氧化的多孔金属负极集流体，包括形成于模板上的M金属层、沉积于M金属层上的金属柱阵列以及形成于金属柱上的氧化物结构，所述金属柱阵列为金属电沉积形成的均匀有序的排列结构，所述氧化物结构为形成于相应金属柱外圆面上的呈分支状的氧化物。本发明的优点是通过热蒸发技术形成薄的金属基底以及通过电沉积形成的阵列可以与基底紧密连接形成一体化电极结构，减小接触电阻；形成的分支状氧化结构可以增加表面积，增加与电解液的接触，促进电解液离子的扩散，均匀电流密度的分布，提高电池在充放电过程中的可逆性。

技术领域

本发明属于储能电池技术领域，具体涉及一种超分支氧化的多孔金属负极集流体及其制备方法。

背景技术

随着科技的不断发展，在电子设备、电动汽车、智能电网、航空航天以及军用设备上越来越需要高能量密度电池来提供支持，而且高能量密度电池可以减少不可再生能源的使用，节能减排，可推动社会的绿色可持续发展。然而，目前市场上锂离子电池体系其能量密度已经接近理论极限（小于300 Wh kg^-1）。

采用金属锂作为负极材料时，由于其具有低的密度（0.59 g cm^-3），极高的理论比容量（3860 mAh g^-1），低电极电势（-3.04 V vs标准氢电极电势）等特点，被认为是理想的下一代高能量密度电池负极材料。如现在研究的比较广泛的锂硫电池，锂空气电池等，均展现出极高的能量密度。但是由于锂金属电池的负极不均匀锂沉积会导致锂枝晶的形成，其会刺穿隔膜使电池短路；而且锂枝晶的形成导致固态电解质膜（SEI）的破裂，并在重复的SEI形成过程中，导致电解质的不可逆消耗。锂金属负极的无主体特性进一步加剧了沉积和溶解过程中的无限体积变化，导致了不稳定界面的产生。上述存在的问题最终会造成电池的库伦效率降低，电池的循环寿命缩短，最终引发爆炸等安全问题。因此开发一种新型金属集流体来调控其表面的电流密度及电解液离子分布，诱导均匀形核且抑制枝晶的生长，对于推动高能量密度电池的发展具有重要的意义。

检索发现，CN110828829A提供一种3D亲锂多孔金属集流体，包括3D多孔金属集流体以及复合在3D多孔金属集流体骨架上的金、银、铂中的至少一种金属。这种方法较为复杂，所制备的集流体柱子之间分布不均匀，且所提供的分支结构比表面积小，不能充分利用集流体的空间结构。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术存在的缺陷，提出一种超分支氧化的多孔金属负极集流体，同时给出了其制备方法，所制备的集流体具有均匀的哦孔结构，并且由于均匀的孔结构，超分支结构可以提供大的比表面积，增加与电解质的接触面积，促进离子的扩散，诱导均匀沉积；提高电池在充放电过程中的可逆性能。

为了达到以上目的，本发明提供一种超分支氧化的多孔金属负极集流体，包括形成于模板上的M金属层、沉积于M金属层上的金属柱阵列以及形成于金属柱上的氧化物结构，所述金属柱阵列为金属电沉积形成的均匀有序的排列结构，所述氧化物结构为形成于相应金属柱外圆面上的呈分支状的氧化物。

本发明通过热蒸发技术在模板上形成连续的均匀的金属基底，然后通过电沉积沉积均匀的金属柱阵列使其与基底紧密连接形成一体化电极结构，可以减小两者之间的电阻。金属柱阵列是由一组沿垂向排列在M金属层上的柱子组成。本发明是通过水热的方法在乙醇和水的混合溶液中在通氧气的条件下制备超分支氧化结构，这不仅可以形成均匀的孔结构，增加集流体的表面积，还可以调控电流密度的分布和金属离子的分布，使锂金属均匀沉积，缓解尖端效应形成锂枝晶，减小电池的库伦效率。

本发明进一步的采用如下技术方案：

进一步的， 所述模板为双向通孔模板（即在模板上设有一组均匀排列的沿模板高度方向延伸的通孔），所述模板为阳极氧化铝（AAO）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺（PI）、行迹蚀刻聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、尼龙、纤维素等模板中的一种，优选AAO模板。