[发明专利]一种锂金属电池用铜集流体及其表面改性方法和应用

说明书

本发明提供一种锂金属电池用铜集流体表面改性方法，包括如下步骤：选择带有‑SH官能团的有机硅氧烷，将其与一定量无水乙醇均匀混合；在空气中将步骤S1的混合溶液滴加到准备好的铜片上，并自然干燥成膜；将铜片放入酸溶液中进行水解，使铜片表面的膜层自组装成Si‑O‑Si网络结构；真空干燥获得镀膜改性的铜集流体。本发明提供的锂金属电池用铜集流体表面改性方法，在铜集流体表面自组装改性形成一层Si‑O‑Si网络结构，可提高锂金属电池的电化学性能；且由于膜层对铜集流体表面的钝化作用，使改性后的集流体具有优良的环境抗腐蚀性能以及抗异质金属间电偶腐蚀性能。本发明还提供一种锂金属电池用铜集流体及其在锂金属电池负极材料中的应用。

技术领域

本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种锂金属电池用铜集流体及其表面改性方法和应用。

背景技术

随着社会的不断进步与发展，人类对能源的需求量也越来越大。目前持续过量的消耗煤、石油、天然气等化石能源带来严重环境污染问题。一些环保的清洁能源如风能、太阳能、潮汐能等已经被开发利用。然而，这些可再生能源不能被直接利用，而且大多具有间歇性和波动性的缺点。为了解决此缺点，开发可靠的电化学储能装置是十分必要的。目前锂离子电池一般采用的负极材料是石墨，正极材料为钴酸锂(LiCoO₂)、磷酸铁锂(LiFePO₄)以及三元材料(NCM523、NCM811)。经过这么多年的探索，目前锂离子电池能量密度已经接近理论能量密度。但由于负极材料较低的理论比容量(372mAh/g)，导致锂离子电池能量密度无法冲破瓶颈(250Wh/kg)。

锂金属电池是采用锂金属箔作为负极材料，其具有最高的理论比容量(3860mAh/g)以及最低的电化学电势(-3.04V vs标准氢电极)，被认为是负极材料的“圣杯”。然而，锂金属负极实际应用仍然面对许多问题。

集流体作为锂金属电池体系中重要的组分，对于电池电化学性能以及循环寿命有着重要作用。金属铜由于具有高导电性，良好的延展性以及低电位下电化学稳定性，是目前最广泛使用的负极集流体材料。然而，金属铜亲锂性差，在电池循环过程中，锂沉积在铜表面时会形成锂枝晶，枝晶不断生长刺穿隔膜，造成电池短路，引发安全问题。且在电池循环过程中，高反应活性的锂和电解液反应生成不稳定的固态电解质层(SEI)。以上因素均会降低电池循环时库伦效率以及循环寿命，阻碍其大规模实际应用。

因此，开发一种简单的铜集流体改性方法提高其亲锂性、调节锂离子沉积行为来提升锂金属电池的电化学性能具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锂金属电池用铜集流体表面改性方法，在铜集流体表面自组装改性形成一层Si-O-Si网络结构，可提高锂金属电池的电化学性能；且由于膜层对铜集流体表面的钝化作用，使改性后的集流体具有优良的环境抗腐蚀性能以及抗异质金属间电偶腐蚀性能。

为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种锂金属电池用铜集流体表面改性方法，包括如下步骤：

步骤S1，选择带有-SH官能团的有机硅氧烷，将其与一定量无水乙醇均匀混合；

步骤S2，在空气中将步骤S1的混合溶液滴加到准备好的铜片上，并自然干燥成膜；

步骤S3，将铜片放入酸溶液中进行水解，使铜片表面的膜层自组装成Si-O-Si网络结构；

步骤S4，真空干燥获得镀膜改性的铜集流体。

进一步地，所用有机硅氧烷选自3-巯基丙基三甲氧基硅烷。

进一步地，3-巯基丙基三甲氧基硅烷与无水乙醇的混合体积比为1:4。

进一步地，步骤S3中，将铜片放入浓度为0.1mol/L的盐酸溶液中水解，水解时间为50-90min。