[发明专利]具有梯度孔结构的三维多孔集流体及其制备方法和应用

说明书

本发明属于负极材料领域，具体公开了具有梯度孔结构的三维多孔集流体及其制备方法和应用；所述的方法为：在模具中按任意顺序铺设原料粉末A和原料粉末B，随后进行常压松装烧结，即得；所述的原料粉末A、原料粉末B为水雾化法或电解法制得的金属原料粉末，且二者的D50半径不相同。此外，本发明还提供了所述的制备方法制得的集流体及其在金属电池中的应用。本发明研究发现，通过所述的原料粉末A、原料粉末B形态、级配结构、层级铺料方式和烧结方式的联合控制，能够获得具有层级孔结构的全新集流体；更重要的是，所构建得到的特殊集流体能够有效改善金属均匀沉积，从而有助于改善金属电池电化学性能特别是长期循环稳定性。

技术领域

本发明属于金属电池技术领域，具体涉及一种金属电池用具有梯度孔结构的三维多孔集流体及其制备方法和应用。

背景技术

随着手机、电动汽车等高端电子产品的高速发展，人们对储能器件的需求日渐增长。同时，现有的商业化锂离子电池受限于较低的理论容量，难以实现更广泛的应用。金属电池是一种将锂、钠、锌、镁等金属用作负极的二次电池，具有较高的理论比容量及安全性，被寄希望应用于下一代高比能电池材料。以锂金属电池为例，锂由于具有最低的标准电极电位（-3.04 V vs 标准氢电极）和极高的质量比容量（3860 mA h g-1），引起了学者的广泛关注。然而，锂金属负极在循环过程往往中伴随着巨大的体积变化，同时有不可控的锂枝晶生长。相似的枝晶生长过程也出现在锌、钠等金属电池中。

将三维多孔集流体用于金属负极被认为是同时抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的最有效手段，多孔结构能降低局部电流密度，同时为活性金属提供沉积宿主。然而，现阶段常见的三维多孔集流体主要是泡沫金属集流体，3D多孔碳集流体等，这些材料的孔结构均一性不理想，且孔结构复杂，活性金属沉积阶段极化不均匀，容易导致金属的不均匀沉积，从而导致三维集流体容量过早衰减，电化学性能并不理想。

发明内容

为解决现有集流体存在的活性金属沉积均匀性差，电化学性能不理想的问题，本发明第一目的在于，提供一种具有梯度孔结构的三维多孔集流体的制备方法，旨在制备得到具有梯度层次孔结构、且具有优异电化学性能的三维多孔集流体。

本发明第二目的在于，提供了所述的制备方法制得的具有梯度孔结构的三维多孔集流体。

本发明第三目的在于，提供所述的具有梯度孔结构的三维多孔集流体在金属电池中的用途。

一种具有梯度孔结构的三维多孔集流体的制备方法，在模具中按任意顺序逐层铺设原料粉末A和原料粉末B，随后进行常压松装烧结，即得；

所述的原料粉末A、原料粉末B为水雾化法或电解法制得的金属原料粉末，且二者的D50半径不相同。

本发明研究发现，通过所述的原料粉末A、原料粉末B形态、级配结构、层级铺料方式和烧结方式的联合控制，能够获得具有层级孔结构的全新集流体；更重要的是，所构建得到的特殊集流体能够有效改善金属均匀沉积，从而有助于改善金属电池电化学性能特别是长期循环稳定性。

本发明中，所述的金属原料粉末需要是水雾化法或电解法形成的原料粉末。本发明中，所述的金属原料粉末具有不规则的形貌。

本发明中，可采用行业内熟知的水雾化法或电解法手段制得本发明所需要的原料粉末A、原料粉末B。

本发明中，所述的水雾化法是借助高压水流的冲击作用，将液态金属或合金直接破碎成为细小液滴，并快速冷凝的制粉方法，适用于制备形状不规则粉或类球形粉；所述的电解法是通过电解熔盐或盐的水溶液使得金属粉未在阴极沉积析出的制粉方法，适用于制备高纯度的形状不规则粉。

本发明中，原料粉末A、原料粉末B的成分相同或不同；优选相同；

优选地，所述的金属原料粉末为金属单质粉末及其合金粉末；

进一步优选，所述的金属原料粉末中的元素为铜、镍、锌中的至少一种；