[发明专利]一种锂负极或钠负极的制备方法与应用

说明书

本发明属于新能源材料与器件技术领域，尤其涉及一种锂负极或钠负极的制备方法与应用。该制备方法包括：将酸洗后的碳纤维布浸渍于硝酸镍水溶液中；然后将表面吸附硝酸镍的碳纤维布干燥并在惰性气氛中煅烧，获得一种三维多孔集流体，组成该集流体的碳纤维表面呈多孔结构并且弥散嵌有纳米镍颗粒；进而采用熔融法将金属锂或金属钠引入上述三维多孔集流体中，获得一种锂负极或钠负极。由于碳纤维表面的多孔结构能够为锂或钠金属提供坚实的限域作用，弥散的镍颗粒可以赋予三维集流体亲锂或亲钠性并降低金属锂或钠的沉积过电势。因此，所制备的锂负极或钠负极表现出优异的电化学性能、高安全性和长寿命。

技术领域

本发明涉及新能源材料与器件技术领域，尤其涉及一种锂负极或钠负极的制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应和环境友好等众多优点而广泛应用于可移动电子设备、电动汽车、航空航天和电力储存等领域。锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成，其中负极材料的选择会直接关系到电池的能量密度。然而，以石墨为基础的负极材料经过多年发展，已接近其理论能量密度极限。为了进一步提高电池能量密度，亟需发展高能量密度的负极材料。

金属锂由于其极高的质量比容量(理论容量3860mA h g^-1)和极低的氧化还原电势(-3.040V vs.标准氢电极)，成为下一代高能量密度锂电池中最理想的负极材料之一。金属锂负极与硫正极组合而成锂硫电池的理论能量密度高达2576Wh/kg，完全能够满足汽车动力电池长续航的需求。然而，金属锂负极在充放电过程中存在电解质界面处不均匀的传质、传荷过程导致的枝晶生长和“死锂”问题，以及金属锂负极体积变化导致的SEI膜破裂、锂金属不可逆消耗和库伦效率的持续降低的问题。此外，循环充放电过程中锂枝晶的持续生长还会最终刺破隔膜与正极直接接触造成电池短路，从而引发安全事故。与金属锂负极的问题类似，钠金属负极也存在枝晶生长和“死钠”问题以及循环过程中SEI膜破裂、钠金属不可逆消耗的问题。因此，寻找有效抑制锂枝晶或钠枝晶生长的方法成为当前亟待解决的热点问题。

为解决以上问题，研究人员提出了不同的解决方法，如利用电解液添加剂稳定锂负极或钠负极表面SEI膜性能，对锂负极进行表面改性以促进锂的均匀沉积与剥离。近年来，研究人员发现三维多孔集流体对锂枝晶或钠枝晶的生长具有显著抑制作用：一方面高比表面积的三维结构能够降低局部电流密度，有利于降低枝晶生长速度，也有利于调控表面电荷分布，使锂离子的沉积更加均匀；另一方面，多孔结构可以为沉积的锂提供了物理限域作用，抑制了锂负极相对无限体积膨胀，稳定电极的机械强度。因此，使用三维集流体作为锂金属的宿主是实现高容量和长循环锂金属或钠金属负极非常有效的方法。碳基材料由于具有质量轻、导电性好、化学稳定、机械性能良好等特性受到了研究人员的广泛关注。然而，非极性碳材料与锂金属或钠金属润湿性较差会导致融锂或融钠困难，因此研究人员尝试对碳材料表面进行改性，引入亲锂或亲钠位点以提升其亲锂或亲钠性。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种锂负极或钠负极的制备方法与应用，制备的电极结构稳定、柔韧性好、机械强度高，三维多孔碳纤维集流体能够有效抑制锂(钠)枝晶生长，提升电池循环稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种锂负极或钠负极的制备方法，将金属锂或金属钠引入一种三维多孔集流体中，组成该三维集流体的碳纤维表面呈多孔结构并且弥散嵌有金属镍纳米颗粒，弥散分布的金属镍纳米颗粒作为亲锂、钠位点，使金属锂、钠在熔融时均匀分布于三维多孔集流体中。

进一步地，一种锂负极或钠负极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳纤维布置于浓硝酸与浓硫酸的混合溶液中进行回流处理；

(2)将步骤(1)所得碳纤维布分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中依次超声处理；

(3)将步骤(2)所得碳纤维布浸渍于硝酸镍水溶液中，然后空气中干燥处理；