[发明专利]一种3D亲锂多孔金属集流体、负极及其制备和应用

说明书

本发明属于锂电电极材料领域。具体公开了一种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。本发明还公开了所述的金属集流体的制备和应用，以及尤其制得的3D亲锂多孔锂离子负极，本发明所述的集流体，在多孔金属骨架上的金、银、铂中的至少一种金属降低了锂金属成核和沉积过程中的过电位，实现了锂金属持续循环过程中均匀的沉积和溶解，有效避免枝晶的生长，大幅度提高锂金属电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于储能器件领域，具体涉及一种亲锂的3D集流体以及采用所述的集流体制得的负极。

背景技术

锂硫电池凭借其超高的能量密度2600Wh/kg，被作为下一代最有前途的储能器件。然而锂枝晶的生长和巨大的体积效应限制了其工业化的应用。为了应对枝晶的风险和减缓体积效应。目前最常用的策略是将金属锂负载在多孔集流体中。例如，Shu-Hong Yu等人[L.L.Lu，J.Ge，J.N.Yang，S.M.Chen，H.B.Yao，F.Zhou，S.H.Yu，Free-standing coppernanowire network current collector for improving lithium anode performance，Nano Letters 16(2016)4431-4437.]通过自组装的方法制备了由铜纳米纤维所组成的多孔铜，但将其作为集流体与锂片组成锂电池时，金属锂容易优先在该多孔铜的上表面沉积，在持续的沉积过程中导致枝晶的生长。

多孔集流体容易产生枝晶的只要原因在于其空间结构的不均匀性，使锂金属优先在尖端位置和缺陷位置沉积，这就导致多孔集流体有效面积不能充分的利用，最终使锂金属电池循环过程中的有效的电流密度不能够充分降低。针对，金属锂容易优先在上表面生长这一问题，Yanqing Lai等人[B.Hong，H.Fan，X.-B.Cheng，X.Yan，S.Hong，Q.Dong，C.Gao，Z.Zhang，Y.Lai，Q.Zhang，Spatially uniform deposition of lithium metal in 3DJanus hosts.Energy Storage Materials 1 6(2019)259-266.]通过在3D集流体的下表面构筑一薄层金属层，但表观电池密度也没有充分降低，最终使电池的循环性能难以提高。

综上，现有多孔集流体制得的电极容易生长枝晶，只能够在较小的电流密度实现相对稳定的循环，在实际锂离子电池的电流密度(2～5mA/cm²)下，循环性能和循环寿命将急剧下降。

发明内容

针对3D多孔集流体普遍存在的电流密度不能充分降低、无法有效抑制锂枝晶的问题，本发明旨在提供一种亲锂的3D多孔金属集流体(本发明也称为3D亲锂多孔金属集流体，或者简称为亲锂集流体)。

本发明第二目的在于，提供了一种所述的3D亲锂多孔金属集流体的制备方法。

本发明第三目的在于，提供了一种所述的3D亲锂多孔金属集流体的应用。

本发明第四目的在于，提供一种由所述的3D亲锂多孔金属集流体制得的3D亲锂多孔锂离子负极(本发明也简称为负极)，通过所述的结构以及材料的控制，旨在有效解决锂枝晶的问题，提升高电流密度下(例如为2～5mA/cm²)循环性能。

本发明第五目的在于，提供一种所述的3D亲锂多孔锂离子负极的制备方法。

本发明第六目的在于，提供一种所述的3D亲锂多孔锂离子负极的应用。

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。