[发明专利]一种活性金属复合薄片及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种活性金属复合薄片及其制备方法和应用，该活性金属复合薄片包括卷绕结构，卷绕结构为垂直于卷绕轴的截面，卷绕轴所在的截面具有阵列结构，阵列结构包括相互连接的复合组分及活性金属，且复合组分及活性金属在截面上为相间排列，在阵列结构中活性金属的宽度为10纳米～500微米；其制备方法为：将复合组分经过液态活性金属内部，使液态活性金属镀层在带状复合组分的表面，冷却后液态金属固化形成带状金属复合材料，通过卷绕得到该活性金属复合薄片。通过该方法得到的金属复合薄片中的活性金属锂或钠的含量高，将其应用于金属电池的电极材料时，既能保持金属锂或钠电极的高容量，还能抑制枝晶生长并控制金属体积膨胀。

技术领域

本发明属于金属电池技术领域，涉及一种新的可用作金属电池电极材料的活性金属复合薄片及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着移动设备、车辆电气化和电网存储的快速发展，对高能量密度电池的需求稳步增长。在现有的储能体系中，应用最广泛且能量密度最高的锂离子电池已经难以满足应用的需求。由于金属锂作为电极材料时，具有最高的比容量(3860mAh/g)和最低的电化学势(-3.04V)，金属锂电池有望成为下一代高能量密度的电池体系。金属锂资源自然存储相对有限，与锂同主族的金属钠，在物理和化学性质方面与金属锂非常相近，而且金属钠能够从海水中提炼，资源极其丰富。因此，金属钠电池体系在大规模能源存储中也有非常大的应用潜力。此外金属锌电池由于资源丰富同样也具有非常广阔的应用前景。

但是金属锂、钠和锌用于电池系统中的电极材料时，都存在着同样的问题：(1)在反复充放电的过程中，金属锂或钠在界面位置不均匀沉积形成枝晶，随着枝晶的生长，有可能刺破隔膜形成电池短路导致安全问题。(2)由于金属锂或钠自身无骨架的结构特点，在充放电的过程中，体积无限膨胀造成电极表面的固体电解质膜(SEI膜)破裂，严重破坏电极的稳定性，导致库伦效率降低，循环寿命衰减。

现有技术中为了解决枝晶生长的问题，通过在金属电极表面沉积氧化物钝化层(Al₂O₃)或者添加功能离子添加剂实现金属均匀沉积从而抑制枝晶的生长。还有研究者提出增强隔膜的机械强度，或者采用固态电解质封装避免枝晶刺穿带来的安全问题。针对金属锂或钠的体积膨胀问题的解决思路，主要是将金属沉积在多孔三维金属网或者碳材料上，形成金属复合电极，这种方法会降低电极的能量密度，同时制备方法较复杂。如何抑制金属负极枝晶生长同时解决体积膨胀的问题，是金属锂和金属钠电池体系亟待解决的问题，对于未来的电化学储能发展具有非常重要的意义。

发明内容

为了克服金属锂、钠和锌作为金属电池的电极材料时，在充放电的过程中出现枝晶生长以及体积膨胀导致电池性能降低甚至安全隐患的问题，本发明提供了一种具有高容量、高倍率和循环稳定性的活性金属复合薄片及其制备方法和应用。

为了解决以上的技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种活性金属复合薄片，包括卷绕结构，所述卷绕结构为垂直于卷绕轴的截面，所述卷绕轴所在的截面具有阵列结构，所述阵列结构包括相互连接的复合组分及活性金属，且所述复合组分及活性金属在所述截面上为相间排列，在所述阵列结构中活性金属的宽度为10纳米～500微米之间，所述活性金属在复合薄片中的质量占比为50％～99％。

进一步地，其中所述活性金属薄片的厚度为10微米～500微米。

进一步地，其中在所述阵列结构中活性金属的宽度为30～100微米之间。

进一步地，其中在所述阵列结构中活性金属的宽度为50～70微米之间。

进一步地，所述活性金属复合薄片是通过复合活性金属与复合组分并卷绕形成的。

进一步地，所述活性金属是指具有电化学储能体系中具有电化学活性的金属，包括金属锂、钠和锌。

进一步地，所述复合组分包括但不限于金属、金属氧化物、二维材料、编织物、高分子聚合物或者其组合。