[发明专利]一种具有三维结构的金属电极

说明书

技术领域

本发明涉及金属电极的技术领域，具体涉及一种具有三维结构的金属电极。

背景技术

随着经济的快速发展，人们对能源的消耗越来越大，不可再生资源的日益减少，使得电池领域得到越来越多的关注。电池作为一种新型的、清洁的储能介质，广泛被应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等，也被尝试应用于无人飞机等军事领域，是发展下一代高能量储能设备的主要方向。

现有电池中，锂离子电池研究最多，虽然锂离子电池的能量密度较铅酸、镍氢等电池的要高，但仍不能满足人们对更高能量密度的需求，因此开发下一代电池体系变得尤其重要。

下一代电池体系首先就是要开发新型的金属电极。金属锂，其高比容量(3860mAhg^-1)和低还原电位(-3.04V_VS.标准氢电极电势)，被认为是最有前景的金属电极材料。然而，锂金属负极存在众多问题：

1、不同于多孔碳基负极不参与氧化还原反应，只是作为离子的支撑材料夹层，锂金属负极在进行剥离/电镀的循环过程中，不能提供锂离子沉积的“笼子”，因此锂沉积之后的金属形态在随后的周期通常很难控制；

2、锂金属负极的充放电也伴随着几乎相对无限体积变化(完全充电状态的体积和它在完全放电状态的体积对比)会导致内部压力变化和界面波动。一旦不均匀的锂枝晶成核并且从负极表面伸出，固体电解质界面(SEI)会不断破裂和再次形成。这种不稳定性进而加速了锂枝晶的生长。因此，额外的电解质被消耗和“死锂”逐渐积累起来，这导致了整个电池库仑效率的降低和容量衰减。锂枝晶锋利的枝晶尖可能刺穿隔膜，造成短路，甚至爆炸。

这些问题在过去的40年里一直阻碍着金属锂可充电电池包括锂硫和锂空电池的实际应用。

针对金属锂负极的这些问题，常用的方法包括在电解液中加入添加剂以形成致密稳定的SEI膜；这一方法是基于电解液及添加剂调控SEI膜的成分和形貌。SEI膜是电解液和锂金属负极之间的过渡层，它是由金属锂和电解液在电子参与情況下形成的情性层，可保护锂金属免受电解液腐性，并调控锂离子的沉积行为。稳定的固态电解质界面膜可以有效抑制锂枝晶的生长(Adv.sci.2016,3,1500213)。

或者是采用各种无机、有机甚至物理的方法来修饰金属电极，如使用化学沉积或物理的方法对锂金属负极包覆。Cui等在锂负极包面生长一层纳米中空碳球来控制锂枝晶生长(Nature nanotechnology,2014,9,618-623)，但这种方法工艺复杂不易实用化。

再或者是使用新型的固态(或凝胶)电解质替代目前常用的有机电解液，从而大幅提升电池的安全性。固态(或凝胶)电解液的模量高，可阻挡枝晶的刺穿，防止短路的出现(参考专利:CN104103873A)。但是固态(或凝胶)电解质的常温离子导电率低，影响了其进一步的应用。

上述方法提供了许多思路，但是却无法从根本上彻底解决以金属锂电极为首的金属电极材料带来的枝晶生长、库伦效率低、电池循环性差等问题。因此设计新型有效的金属电极，对于发展下一代电池系统具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种具有三维结构的金属电极，可以实现抑制枝晶生长，减少体积膨胀的目的，从而提高电池库伦效率和使用寿命。

本发明通过将具有网状结构的嵌入层嵌入金属基材的表面，使得金属基材的表面在压力作用下形成三维结构，从而实现上述发明目的。

具体技术方案如下

一种具有三维结构的金属电极，包括基材，所述基材至少一个表面具有网状结构的嵌入层；所述嵌入层与基材的材质不同。

制备方法为：以金属材料为基材，选择至少一面为工作面，通过采用物理挤压或者物理按压的方式进行施压，在压力作用下，将嵌入层完全嵌入工作面，形成所述的具有三维结构的金属电极。

作为优选，所述的基材选自金属锂、钠、镁或铝；

或者由金属锂、钠、镁、铝中的至少两种组成的合金。

作为优选，所述的具有网状结构的嵌入层为单层或多层，选自金属层、聚合物层、半导体层、绝缘体层中的至少一种；

嵌入层的网状结构中，材料互相穿插、交织，中间具有规则的空隙；作为优选，所述的网状结构为平面网状结构或者为立体三维网状结构。

作为优选，所述金属层的材质包括铜、铝、镁、锌、铁、镍、钛、金、银或锡；

或者为由铜、铝、镁、锌、铁、镍、钛、金、银和锡中的至少两种组成的合金；

或者为不锈钢；