[发明专利]一种3D亲锂复合多孔金属合金集流体及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂金属电池负极材料领域，具体公开了一种高柔性3D亲锂复合多孔金属合金集流体，包括高柔性3D多孔金属合金集流体以及原位复合在3D多孔金属合金集流体上的亲锂性磷化物，具有丰富的比表面积、孔隙结构和优异的机械性能，能有效降低局部电流密度，促进电子/锂离子的扩散，抑制体积变化；多孔金属合金集流体上的磷化物层及其表面的纳米线结构，显著降低锂形核过电位，诱导锂均匀地沉积/溶解，所构筑的锂金属负极能够具有优异的电化学性能，库伦效率和循环稳定性得到极大地提升。本发明还公开了所述的高柔性3D亲锂复合多孔金属合金集流体的制备方法及应用。

技术领域

本发明属于锂金属电池电极材料技术领域，具体涉及了一种锂金属电池的合金集流体及其制备方法和应用。

背景技术

锂金属具有极高的质量比能量，是二次高比能储能装置最重要的负极材料。然而不可控的锂枝晶致使电池库伦效率大大降低并增大潜在的安全风险，因而难以被商品化利用。锂枝晶的产生归根结底还是锂金属无骨架的本质以及表面不均匀性，导致巨大的体积变化和不均匀的锂沉积。

为了解决这些问题，目前通过3D骨架结构来缓解反复充放电过程的体积变化，例如ZhiguangPeng等[Jingyi L,Qi Z,HongyanY,et al.Snlayerdecorated copper meshwith superior lithiophilicity for stable lithium metal anode[J].ChemicalEngineering Journal,395(2020)124922.]通过在纯铜网线修饰一层亲锂锡层，诱导锂均匀形核与沉积，原位生成的锂-锡合金层能有效降低形核过电位至2.8mV，并能维持98.6％的高库伦效率和900圈的长循环寿命。Li-ZhenFan等[Shaobo H,Wenfeng Z,Hai M,etal.Chemical Energy Release Driven Lithiophilic Layer on 1m² Commercial BrassMesh toward Highly Stable Lithium Metal Batteries[J].Nano Letters,19(2019)1832-1837.]利用黄铜网为结构骨架，通过热处理发生原位氧化，骨架原位生成大量亲锂性的氧化铜和氧化锌，进一步控制熔融锂的灌入量制备3D结构锂金属负极。该结构的3D负极能够一次性大量制备并提供非常有益的电解液浸润，降低锂离子浓度贫化；其次更大的比表面降低电流密度，并有效抑制体积效应。然而，亲锂性层容易在反复的循环过程脱落，生成的锂氧化物造成电极导电性能变差，制约锂金属负极保持高库伦效率和长循环性能的关键。基于以上情况，锂金属负极的电化学性能难以有效提升并保持稳定。

发明内容

针对现有锂金属负极在循环过程中出现体积效应大、枝晶不可控以及亲锂层结构不稳定且反应后锂产物不导电的问题，本发明提供了一种高柔性3D亲锂多孔金属合金集流体材料，旨在通过稳定的磷化物修饰层选择性诱导锂均匀沉积在多孔金属骨架中，改善大电流下锂的沉积不均匀性，降低体积效应，提升锂金属负极的循环性能。

一种3D亲锂复合多孔金属合金集流体，包括高柔性3D多孔金属合金集流体以及原位复合在3D多孔金属合金集流体上的亲锂性磷化物；所述的3D多孔金属合金集流体可以任意方向折叠和旋转，由金属合金纤维相互编织而成，金属合金纤维间含有大量间隙；所述的亲锂性磷化物为基于3D多孔金属合金集流体基底原位反应而来。

作为优选，所述的3D多孔金属合金集流体为金属合金材质，组成元素包括铜、锡、锌、镍、铝、钛、银、铁、镁、钴、金、锰中的至少两种。

作为优选，所述的3D多孔金属合金集流体结构为网格状、多孔泡沫状、树枝状、螺旋状中的至少一种，进一步优选为网格状。

作为优选，所述的3D多孔金属合金集流体比表面积为50～800m²/g，进一步优选为80～600m²/g。