[发明专利]诱导锂金属负极优先横向沉积的铜基集流体及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种诱导锂金属负极优先横向沉积的铜基集流体及其制备方法与应用，所述集流体在铜基箔片表面原位生长或异位修饰有氧化锌层和铜纳米片阵列，氧化锌层平铺在铜基箔片表面，铜纳米片阵列垂直穿过氧化锌层与铜基箔片基底连接。本发明的集流体致密的氧化锌层降低平行方向上的电荷密度，阻止锂金属在集流体垂直方向上的沉积生长。亲锂的铜纳米片阵列与氧化锌层协同作用，诱导锂金属优先横向沉积，抑制锂枝晶的产生，从而提高锂金属电池的安全性和循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种诱导锂金属负极优先横向沉积的铜基集流体及其制备方法与应用，属于电池技术领域。

技术背景

当今社会对新能源汽车和储能提出了越来越高的要求，使用石墨负极的传统锂离子电池在应对这些要求时逐渐力不从心，因此各个领域亟需具有更高能量密度的新一代电池体系。锂金属具有高的理论比容量(3680mAh/g)，最低的还原电位(-3.04V vs.SHE)及极小的密度(0.534g/cm³)，是用作锂电池负极的理想材料。在此背景下，锂金属负极的研发成为针对下一代电池体系战略部署中不可或缺的重要环节。

然而，锂金属负极在实际使用时仍存在相当严重的问题，其中最让人诟病的是由锂金属的不均匀沉积诱发的锂枝晶。锂枝晶不但会造成“死锂”，导致SEI膜的反复生长和电解液的快速消耗，降低电池性能并缩短其使用寿命，还会刺穿隔膜造成电池的短路并引发热失控，严重时还会导致火灾或爆炸等重大事故。

构建具备三维结构的集流体能够显著增加锂金属的有效沉积面积，从而降低局部电荷密度，能够有效地抑制锂枝晶的产生。目前已经公开了多种锂金属负极三维集流体及其制备方法，但这些方法没有对锂金属的沉积方向进行诱导和限制，因此对锂金属负极的性能提升及寿命延长效果有限。

如中国专利文献CN110828828A公开了一种3D多孔锌负载集流体，包括3D多孔集流体以及复合在3D多孔集流体骨架上的金属锌。该发明创新地在3D多孔集流体的骨架上复合金属锌；该结构的集流体可以有效维持钠或钾金属沉积过程中的骨架稳定；同时，均匀分布在孔隙骨架上的所述的金属锌可以诱导金属钠或钾成核，使钠或钾沉积过程中充分利用3D集流体的有效比表面积，实现无枝晶的钠或钾沉积和长的循环寿命，但是该3D多孔锌负载集流体无法对金属负极的沉积方向进行诱导或限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种诱导锂金属负极优先横向沉积的铜基集流体，该集流体能够诱导锂金属优先横向沉积，用于提升锂金属负极的电化学性能。

本发明的第二个目的是提供一种诱导锂金属负极优先横向沉积的铜基集流体的制备方法。本发明的方法成本低廉，可放大且可控性强。

本发明的第三个目的是提供一种诱导锂金属负极优先横向沉积的铜基集流体的应用。

为达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种诱导锂金属负极优先横向沉积的铜基集流体，所述集流体为在铜基箔片表面原位生长或异位修饰有氧化锌层和铜纳米片阵列，氧化锌层平铺在铜基箔片表面，铜纳米片阵列垂直穿过氧化锌层与铜基箔片基底连接。

根据本发明优选的，氧化锌层的厚度为100～2000nm。

根据本发明优选的，铜纳米片阵列的铜纳米片的厚度为10～80nm，铜纳米片阵列的高度为0.5～5μm。

氧化锌层为导电性差的致密的氧化锌层。铜纳米片阵列为导电性良好的铜纳米片阵列。

根据本发明优选的，铜纳米片阵列的铜纳米片表面修饰有氧化锌纳米颗粒，氧化锌纳米颗粒的粒径小于等于10nm。