[发明专利]柱状铜阵列集流体及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种柱状铜阵列集流体及其制备方法和应用，该铜阵列集流体在微米尺度上，其具有规则的柱状阵列结构；在亚微米尺度上，其具有不规则网状突起结构，且均匀的分布在柱体表面。具体制备时，S1、将铜箔进行清洗，去除表面杂质；S2、对铜箔用飞秒激光进行处理，S3、将S2处理后的铜箔放入盐酸溶液中，除去表面的CuOx；通过上述处理，即得柱状铜阵列集流。该集流体比表面积显著增大，用于电池负极材料，具有更稳定的循环性能以及更佳的安全性能。

技术领域

本发明属于复合肥生产技术领域，具体涉及一种柱状铜阵列集流体及其制备方法和应用。

背景技术

商用锂离子电池负极集流体为毛面铜箔，负极主要为石墨，该负极材料的特点是充放电体积膨胀较小，约为10％，循环稳定，但理论比容量较低，仅为372mAh/g。为开发下一代高比容量锂离子电池，需采取更高理论比容量的负极材料，例如锂金属负极、硅负极、过渡金属氧化物负极等，其室温下的理论比容量分别为3860mAh/g、3590mAh/g、400-1300mAh/g。但这些新型负极在应用过程中存在诸多问题。当使用锂金属负极时，容易在高倍率情况下生成锂枝晶，造成短路、热失控并引发安全事故；当使用硅负极或者过渡金属氧化物负极时，由于其嵌锂时的体积膨胀可达100％-300％，会在巨大的内应力的作用下产生活性材料的剥落现象，引发容量衰减。以上问题一定程度上是由于商用的毛面铜箔与高比容量新型负极之间不匹配造成的，因此需要开发适用于高比容量负极的新型铜基集流体。

制备高比容量负极的新型铜基集流体主要的解决思路有两个：一是开发三维结构的铜集流体，二是开发阵列结构的铜集流体。中国专利文献CN109888294A提供了《一种三维网状铜集流体的制备方法》，通过静电纺丝得到三维网状纤维，再通过电镀的方式在其表面镀覆铜层，最后压实得到三维网状结构的铜集流体。这种工艺流程较为复杂，且成本较高。中国专利文献CN106848328A提供了《一种负极集流体、电池负极、电池及其制备方法》，在铜箔上包覆高分子树脂膜并用激光打孔的方式得到阵列分布的凹坑结构，通过化学刻蚀的方法可以得到微米级孔阵列结构的负极集流体。期刊论文doi:10.1002/adma.201703729通过激光微加工的方式得到了类似结构的微米孔阵列铜集流体，并通过计算模拟提出在孔口处的电流密度会明显增大，这是尖端效应的电荷累计过程导致的。进而，当其作为锂金属负极的集流体时，锂金属将优先沉积在孔口处，孔内空隙将难以得到充分利用。

发明内容

本发明提供一种柱状铜阵列集流体及其制备方法和应用，该集流体比表面积显著增大，具有更稳定的循环性能以及更佳的安全性能。

本发明的技术方案是，一种柱状铜阵列集流体，该铜阵列集流体在微米尺度上，其具有规则的柱状阵列结构；在亚微米尺度上，其具有不规则网状突起结构，且均匀的分布在柱体表面。

进一步地，所述柱体下端较粗，上端较细，且顶端为半球形或近似半球形。

进一步地，所述柱体的平均直径为2-50μm，相邻柱体之间的间距5-200μm，柱体高度5-200μm。

进一步地，在该铜阵列集流体的表面镀2-20nm厚的亲锂层。

进一步地，所述亲锂层为Au、Ag、Zn、Mg、Al、Pt、Si、Sn、C或Ni。

本发明还涉及所述柱状铜阵列集流体的制备方法，步骤为：

S1、将铜箔进行清洗，去除表面杂质；

S2、对铜箔用飞秒激光进行处理，飞秒激光设备的频率为200kHz，功率为5～40w，扫描间隔为10～100μm，扫描速度为5-500mm/s；

S3、将S2处理后的铜箔放入盐酸溶液中，除去表面的CuOx；

通过上述处理，即得柱状铜阵列集流。