[发明专利]一种碳膜包覆的三维集流体的制备方法

说明书

本发明提供了一种碳膜包覆的三维集流体的制备方法，包括：S1)采用三电极体系，以三维集流体为工作电极，在包含高分子前驱体的电解液中进行电化学聚合，得到高分子包覆的三维集流体；S2)将所述高分子包覆的三维集流体进行高温碳化，得到碳膜包覆的三维集流体。与现有技术相比，本发明通过电聚合再碳化的方式实现在三维集流体上进行界面修饰，实现在三维集流体上形成有利于形成稳定SEI膜的导电高分子材料，并通过碳化过程使三维集流体与碳膜之间形成一定的空间，缓解膨胀，可限域金属锂的沉积，并且锂沉积在限域空间内有碳膜的阻隔，可减少锂与电解液的接触；同时，可通过浓度、电聚合条件调节碳膜前驱体的厚度，从而调节碳膜厚度。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种碳膜包覆的三维集流体的制备方法。

背景技术

商用锂离子电池自1991年引入以来就得到广泛的使用，众多研究者因此将更多的精力投入到锂离子电池的研究中。但由于锂离子电池能量密度的局限性，不能满足人们日益增长的需求，目前锂离子电池的比能量为250Wh/kg，而锂硫电池和锂空气电池可分别达到650Wh/kg和950Wh/kg，因此高比容量(3860Wh/kg)、低标准氧化还原电位(-3.045V)和低原子量的金属锂成为下一代锂二次电池的理想负极。

然而锂电池在充电过程中锂离子还原时其反复沉积和析出的过程中，负极表面容易形成树枝状金属锂，即锂枝晶。锂金属在循环过程中不均匀的沉积导致枝晶的形成造成无限的体积膨胀效应使得锂金属本体发生破碎，同时造成SEI膜的破裂，新鲜的锂又与电解液发生反应再生，既消耗了电解液，又损失活性的金属锂。

目前，常通过以下方法改善锂枝晶的产生：在平面铜上涂敷高分子，如PVDF、PEO、PVA、PAN等高分子材料；或者在铜上涂敷LLZTO、MOF等无机材料。但是涂覆高分子材料不利于形成稳定的SEI膜，且相对锂是化学活性的，会发生一些副反应，并且厚度不易控制，同时在高电压的条件下，高分子材料容易被氧化，导致其不稳定，再者涂敷的方法只适合在平面结构上实现均匀化操作，不利于在更优化的三维集流体上操作。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种连续均匀非等势碳膜包覆的三维集流体的制备方法。

本发明提供了一种碳膜包覆的三维集流体的制备方法，包括：

S1)采用三电极体系，以三维集流体为工作电极，在包含高分子前驱体的电解液中进行电化学聚合，得到高分子包覆的三维集流体；

S2)将所述高分子包覆的三维集流体进行高温碳化，得到碳膜包覆的三维集流体。

优选的，所述高分子前驱体选自吡咯、苯胺、噻吩与乙炔中的一种或多种。

优选的，所述电解液中高分子前驱体的浓度为0.05～0.5mol/L。

优选的，所述电解液中还包括电解质；所述电解液中电解质的浓度为0.05～1mol/L。

优选的，所述电解质选自对甲苯磺酸、甲苯磺酸钠、植酸、十二烷基苯磺酸与十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种；所述三维集流体选自铁网、不锈钢网、钛网、钼网、泡沫镍、碳纤维布或碳布。

优选的，所述电化学聚合的电位为0.5～1V；所述电化学聚合的时间为1～60min。

优选的，所述高温碳化的温度为400℃～1000℃；所述高温碳化的时间为1～2h。

本发明还提供了一种上述制备方法所制备的碳膜包覆的三维集流体；所述三维集流体表面包覆有连续均匀的非等势碳膜；且所述非等势碳膜与三维集流体之间设置有空隙。

优选的，所述非等势碳膜中掺杂有杂原子。

优选的，所述非等势碳膜与三维集流体之间的距离为1～5μm。