[发明专利]一种3D复合铜及其制备方法和一种集流体及其应用

说明书

本发明涉及集流体技术领域，具体涉及一种3D复合铜及其制备方法和一种集流体及其应用，所述3D复合铜包括由铜亚微米线缠绕而成的泡沫铜，所述铜亚微米线上包覆有氧化亚铜。本发明由铜亚微米线缠绕而成的泡沫铜具有高孔隙率、低孔径和孔径分布均匀的特点，还具有足够的强度和延伸率，可以提供充足的锂的形核位点，并且通过体积变化抵消锂枝晶产生的内应力，而在包覆在泡沫铜上的氧化亚铜则可以在电化学反应过程中被还原成单质铜同时生成氧化锂，其中的氧化锂将成为SEI重要成分，起到提高锂离子电导率、机械强度和稳定锂金属的作用。

技术领域

本发明涉及集流体技术领域，具体涉及一种3D复合铜及其制备方法和一种集流体及其应用。

背景技术

随着电动汽车和智能电网等的应用和发展，高比能量的电池逐渐受到关注和研究。锂金属具有高理论比容量(3860mAh/g)，低密度(0.59g/cm³)，低负电压(相对于标准的氢电极电压为-3.040V)，这些优点使锂金属在储能领域受到很大研究与关注。活泼的锂金属在和电解液接触时，会迅速与电解液发生反应，生产具有保护锂金属防止其继续反应的固态电解液界面(SEI)。当锂金属在循环过程中，反复的进行锂的嵌入与脱出过程使锂金属体积改变，破坏SEI膜，消耗电解液同时也消耗掉了大量的锂，电化学性能上表现出就是容量快速衰减和较低的库伦效率。更严重的是锂在SEI破坏处迅速沉积生长形成了锂枝晶，枝晶刺穿隔膜使正负极直接接触导致内部短路起火发生爆炸。这些问题严重阻碍了金属锂负极二次电池的发展和实际应用。

在过去的40年里科学家用各种方法提高SEI的性能，实现高锂离子电导率、高机械强度具有稳定锂金属的SEI。这些方法包括锂金属或者集流体表面改性、隔膜改性、电解液添加剂等等。如Ya-YuanLiu等人[Advanced Materials，2017，29:1605531]通过在商业化的负极流体上涂覆Cu₃N，当发生电化学循环时候，Cu₃N就会与锂发生化学反应，生产Li₃N和Cu，其中的Li₃N是增强SEI机械性能的主要成分，而Cu则可以实现高的Li⁺电导率，这样达到保护锂金属的目的。专利文献CN106797018A中提出将了导电聚合物和碳材料复合包覆材料，在电化学反应中形成有优良性能的SEI。而3D集流体本身在电化学反应总就有均匀锂离子分布的作用，这个已经被Chun-PengYang等人[NatureCommunication，2015，6:8058]中证明，也被大部分科学家认可。

铜是理想的电池负极集流体材质，现在研究大部分都是在商业化铜箔集流体表面包覆人造SEI去保护锂金属，或者采用3D铜集流体保护锂金属，不能够实现3D化的集流体在原位上形成高锂离子电导率、机械强度的SEI去稳定锂金属。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种原位形成具有高锂离子电导率、机械强度和稳定锂金属的SEI的3D复合铜；本发明的另一发明目的在于提供该3D复合铜的制备方法，该方法制得的3D复合铜具有高孔隙率、低孔径和孔径分布均匀的特点，并且易于工业化生产；本发明的另一目的在于提供一种3D复合铜集流体，该集流体能有效保护锂金属不被电解液腐蚀，阻止锂枝晶的形成；本发明的另一目的在于提供该3D复合铜集流体的应用，制成的锂电池具有极高的库伦效率。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种3D复合铜，包括由铜亚微米线缠绕而成的泡沫铜，所述铜亚微米线上包覆有氧化亚铜。

本发明由铜亚微米线缠绕而成的泡沫铜具有高孔隙率、低孔径和孔径分布均匀的特点，还具有足够的强度和延伸率，可以提供充足的锂的形核位点，并且通过体积变化抵消锂枝晶产生的内应力，而在包覆在泡沫铜上的氧化亚铜则可以在电化学反应过程中被还原成单质铜同时生成氧化锂，其中的氧化锂将成为SEI重要成分，起到提高锂离子电导率、机械强度和稳定锂金属的作用。