[发明专利]用于锂金属电池负极的锡铜复合集流体及制备

说明书

本发明公开了一种用于锂金属电池负极的锡铜复合集流体及制备；通过“酸蚀刻—激光烧蚀—络合物氧化还原镀锡”工艺，能够在3～10min内连续批量化制备宏观表面具有平整光亮的金属锡层，微观表面呈有序沟壑状粗糙表面并均匀点缀式无序分布丘陵状微纳锡金属位点的Sn@Cu复合金属集流体。该方法工艺简单、条件可控、安全高效、普适性广，适用于连续化批量生产。所制备的Sn@Cu复合集流体具有良好的亲锂性，直接附锂性能优异，用作锂金属电池负极集流体时具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂电池负极材料技术开发领域，特别涉及一种用于锂金属电池负极的锡铜(Sn@Cu)复合集流体及其制备方法。

背景技术

锂电池因其能量密度高、循环寿命长等优势被广泛用于多种领域。锂离子电池是目前最为普及的锂电池，但由于负极石墨材料比容量的限制(372mAh/g)，锂离子电池能量密度已达技术瓶颈。金属锂具有低氧化还原电位(-3.04V)和10倍于传统石墨负极的高理论比容量(3860mAh/g)，是业内公认的高能量密度锂电池负极的终极解决方案。因此发展锂金属电池及其相关技术是突破锂电池能量密度技术瓶颈的关键。

金属锂既可作为负极材料，又可作为集流体，是理想的锂电池负极。但由于金属锂性质的特殊性，其相关制造加工技术和电池负极循环可逆性等问题制约了锂金属电池的发展。受限于锂的特殊物化性质，金属锂产品宽度普遍小于400mm，厚度大于50μm，并且在制备超宽和超薄金属锂产品时必须为金属锂提供支撑骨架。目前锂金属电池负极主要通过将金属锂与负极铜集流体直接复合制成，但由于两种金属的力学性质差异较大，二者在复合过程中存在诸多问题并导致锂金属电池负极性能远不及预期。工业上常采用直接辊压法通过机械辊压将金属锂直接与铜集流体进行压力结合得到锂铜复合负极。在直接辊压过程中，由于金属锂硬度低、屈服强度低，其压力结合时塑性形变大，而铜硬度高、屈服强度高，其压力结合时塑性形变小，二者在直接压力结合过程中极易产生表面褶皱、起泡、扭转等缺陷，并且层间复合强度较弱极易造成表面金属锂脱落。鉴于以上问题，对集流体进行优化改性有利于提高其与金属锂之间的复合强度并提升二者复合效果。

目前，集流体改性手段主要包括集流体表面形貌调控及表面亲锂层负载。集流体表面形貌调控主要包含集流体表面粗糙化、纳米化等手段，但存在工艺处理效率低下、难以高效制备等问题。亲锂层负载主要通过表面机械涂覆(Rare Met.2022,41,1255–1264)、电化学沉积(Nano Res.2020,13,45–51)、化学气相沉积、表面原位生长(Nano Energy.2021,87,106212)等手段实现，但方法大多过于冗长，难以高效连续化制备。为解决实际生产中锂铜复合负极的制备难题，开发高性能锂金属电池负极集流体及其高效制备技术十分必要。

发明内容

本发明提供用于锂金属电池负极的Sn@Cu复合集流体及其制备方法，旨在为锂金属电池负极集流体的设计与选择提供新的参考。

本发明通过下述技术方案予以实现：

本发明涉及一种Sn@Cu复合集流体，所述Sn@Cu集流体宏观表面具有平整光亮的金属锡层，微观表面呈沟壑状粗糙表面并均匀点缀式分布丘陵状微纳锡金属位点，所述金属锡层由100～500nm的棱球状微纳锡金属颗粒紧密堆积排布构成且厚度为0.1～5μm。

作为一个实施方案，所述Sn@Cu复合集流体，由具有高亲锂特性的表面微纳金属锡层、原子间具有强电子相互作用的锡铜合金过渡层以及具有高电子导电特性的金属内部铜骨架层组成，其中，各层级间以原子互嵌式复合态紧密连接，具有良好的电荷传导特性。

作为一个实施方案，所述具有高亲锂特性的表面微纳金属锡层，高亲锂性金属锡能与金属锂进行自发的干态合金化反应，促使金属锂与铜集流体紧密结合，同时高亲锂性金属锡层能诱导金属锂定向均匀锚定在铜集流体表面，有利于锂金属电池负极的加工制造。