[发明专利]一种复合材料负极、电池及其制备方法

说明书

一种复合材料负极、电池及其制备方法，该复合材料负极包括三维骨架与活性金属，所述三维骨架包括以高分子材料或无机氧化物为原料制备的不导电的多孔介电层，以及以碳材料或金属材料为原材料制备的多孔导电层，所述多孔介电层与所述多孔导电层周期组装在一起形成导电/介电周期交替排列的三维骨架，所述活性金属嵌入所述三维骨架形成所述复合材料负极。由于周期性导电骨架对电子传输路径与离子浓度分布的调控，所述复合材料负极能有效提高金属负极在循环过程中的稳定性，抑制枝晶生长，提高金属负极的安全性。

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是一种复合材料负极、电池及其制备方法。

背景技术

传统化石燃料的过度开采和使用，导致了资源枯竭和环境污染的恶果；而新时代开发的清洁能源存在着储存困难等挑战，因而电化学储能成为新时代的关注重点。同时，电动汽车、智能机器人、国家电网、航空航天等新兴领域的发展也对电化学电源提出了更高的要求。传统的锂离子电池具有循环稳定、安全性能好的优点，但它无法满足未来社会对电池大功率、大容量的需求。

活泼金属(锂、钠、钾、锌、铝等)是一类理想电池负极材料。以锂金属为例，锂金属具有高的理论容量密度(3860mAh g^-1)和低的还原电势(-3.04V相对于标准氢电极)，作为电池负极时可以使电池容量提升到锂离子电池的数倍。然而，当使用锂金属作为电池负极时，仍存在着电极体积变化大、不可控枝晶形成和电池安全性能差等问题；其中，大电流和大容量循环条件下的枝晶紊乱生长以及锂损耗带来的低库伦效率成为了锂金属负极大规模应用的主要限制。如何保持电池在大电流、大容量工作条件下实现长的循环寿命和高的锂利用率成为该领域的研究重点。目前，传统的改性方法包括：使用电解液添加剂、构筑负极人造保护膜、隔膜修饰和利用三维骨架以构筑复合材料负极等；其中，构筑复合材料负极由于能够释放金属沉积/溶解过程中体积变化引起的应力，并延缓/抑制枝晶的出现而备受青睐。传统的三维骨架主要分为完全导电骨架和完全介电骨架两大类。然而，活性金属在完全导电骨架内的沉积主要集中在电极表面，在大容量条件下容易诱发枝晶生长。使用介电骨架则可以实现活性金属自下而上沉积的技术效果，然而由于骨架本身不能导电子，所以这一类骨架电极内的电化学活性位点非常有限，不利于电极倍率性能的提升。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合材料负极、电池及其制备方法，提高金属负极在循环过程中的稳定性，抑制枝晶生长，提高金属负极的安全性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料负极的制备方法，包括以下步骤：

S1、以高分子材料或无机氧化物为原料，制备不导电的多孔介电层；

S2、以碳材料或金属材料为原材料，制备多孔导电层；

S3、将所述多孔介电层与所述多孔导电层周期组装在一起，制备得到导电/介电周期交替排列的三维骨架，优选通过逐层堆叠或逐层抽滤或磁控溅射的方式进行所述周期组装；

S4、将活性金属与所述三维骨架复合，在所述三维骨架内部嵌入活性金属，得到所述复合材料负极。

进一步地：

所述高分子材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、苯乙烯类热塑性弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体中的一种或者多种，所述无机氧化物包括氧化铝、氧化锌和氧化钛中的一种或者多种；优选地，所述多孔介电层通过3D打印、静电纺丝、模板法或热诱导相分离法制备。

通过所述静电纺丝得到的高分子纤维直径在100～500纳米范围之内，纤维之间处于相互搭接的状态；优选地，用聚丙烯腈为高分子原料进行电纺，得到的介电高分子纤维束直径在200～300纳米，纤维束之间相互交织搭接形成有大量微米级空隙空间的骨架。