[发明专利]一种石墨烯/CNTs杂交体做锂金属电池集流体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/CNTs杂交体做锂金属电池集流体及其制备方法，即使在大电流下也能够抑制锂枝晶的形成。该集流体主要由三维多孔泡沫、CNTs和石墨烯组成，所述三维多孔泡沫作为CNTs(碳纳米管)均匀生长的模板，使得形成的CNTs维持三维多孔形态，所述石墨烯生长于CNTs的表面，组成三维多孔泡沫形态的CNTs和石墨烯杂交体。通过在三维多孔泡沫模板基底上生长CNTs，使模板成为导电体，再在上面生长石墨烯，增强导电性，由于生长的石墨烯扩大了比表面积，增加了形核位点，而三维多孔泡沫的结构能够保证电场的均匀分布，从而使锂沉积变得均匀。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种抑制锂枝晶产生锂金属电池集流体，还涉及这种集流体的制备方法。

背景技术

随着电动汽车和智能电网等的应用和发展，高比能量的电池逐渐受到关注和研究。锂金属具有高理论比容量(3860mAh/g)，低密度(0.59g/cm³)，低负电压(相对于标准的氢电极电压为-3.040V)，这些优点使锂金属在储能领域受到很大研究与关注，但是在锂金属电池的循环过程中，锂金属负极将产生锂枝晶，进而形成死锂，不仅降低电池的性能，还会使锂金属体积膨胀破坏SEI膜消耗电解液，更严重的是枝晶刺穿隔膜直接接触正极导致内部短路起火发生爆炸。这些问题严重阻碍了金属锂负极二次电池的发展和实际应用。

在过去的40年里科学家用各种方法控制锂枝晶的形成，如锂金属表面改性、隔膜改性、电解液添加剂等等。科学界普遍认为形成锂枝晶的根本原因是集流体表面电场分布不均匀，导致锂离子分布不均匀，从而形成枝晶。要避免枝晶形成那就必须使集流体附近的电场均匀分布，而锂金属负极表面改性、隔膜改性、电解液添加剂这些方法都不能够从根本上解决问题。如Chun-PengYang等人[Nature Communications，2015，6：8058]通过用三维介孔铜集流体成功地抑制锂枝晶，就是利用了三维多孔结构能够使集流体表面的电场均匀分布；专利文献CN103972470A中提出了一种三维纤维网状的锂合金负极，三维网状结构稳定了SEI膜，在负极表面电场分布均匀，形成了无枝晶的负极。

现在研究的大部分抑制锂枝晶的集流体都是在小电流密度下，而大电流密度下还是不能够避免枝晶形成。因此有必要提供一种大电流密度下无枝晶的集流体，来促进快速充放电的锂金属电池的发展。

发明目的

本发明的目的是提供一种在锂金属电池中避免锂枝晶形成的集流体及其制备方法，即使在大电流密度下也可以保证没有枝晶的形成。

本发明的技术原理是：通过在三维多孔泡沫模板基底上生长CNTs(碳纳米管)，使模板成为导电体，再在上面生长石墨烯，增强导电性，由于生长的石墨烯扩大了比表面积，增加了形核位点，而三维多孔泡沫的结构能够保证电场的均匀分布，从而使锂沉积变得均匀。

本发明的技术方案如下：

该锂金属电池集流体，主要由三维多孔泡沫、CNTs和石墨烯组成，所述三维多孔泡沫作为CNTs均匀生长的模板，使得形成的CNTs维持三维多孔形态，所述石墨烯生长于CNTs的表面，组成三维多孔泡沫形态的CNTs和石墨烯杂交体。

上述三维多孔泡沫优选氧化硅纳米线多孔泡沫。

上述锂金属电池集流体的制备方法，主要是先将三维多孔泡沫放入低压CVD炉中，抽真空，使炉内压力为1-10Pa，通入CH₄生长CNTs；当CNTs生长完成后将其放入等离子增强CVD炉中，当压强降到目标值后将乙醇和水混合液抽到等离子增强CVD炉中，在CNTs表面生长石墨烯，最终获得三维多孔泡沫形态的集流体。

除了采用乙醇和水混合液作为碳源外，也可采用其他的碳源，则可设定相应的压强目标值。

该制备方法的具体步骤如下：