[发明专利]一种3D多孔锌负载集流体、亲钠或钾的电池负极及其制备和应用

说明书

本发明属于电极材料领域，特别属于钠电、钾电领域。本发明公开了一种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。本发明还包括所述的3D多孔锌负载集流体的制备以及应用，此外，本发明还提供了由所述的3D多孔锌负载集流体制得的钠负极或者钾负极。所述提出在3D多孔锌负载集流体，创新地在3D多孔集流体的孔隙骨架上复合金属锌；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集流体有效比表面积，实现无枝晶的钠或钾沉积和长的循环寿命。

技术领域

本发明属于储能器件领域，具体涉及一种亲钠和亲钾3D集流体以及由其制得的负极。

背景技术

锂离子电池作为储能器件，凭借高的能量密度，长的循环寿命已经在各种数码电子产品中得到广泛的应用。近年来，锂离子电池已经逐步在电动汽车和智能电网等领域得到应用。但是受限于有限的锂资源(地壳中的丰度：0.002％)，因而锂离子电池及其相关产品的价格居高不下。因此，开发低成本的储能器件迫在眉睫。在这一背景下，钠和钾凭借着其高的丰度(钠的丰度：2.83％和钾的丰度2.59％)，分别为锂资源丰度的1415倍和1295倍，得到了广泛的关注。在钠离子电池和钾离子电池中，金属钠和金属钾作为最有前途的负极得到了广泛的研究。但是钠枝晶和钾枝晶的生长以及巨大的体积膨胀和收缩限制了金属钠和金属钾直接作为负极材料使用。为了应对这一问题，目前通用的方法是将金属钠和金属钾负载在多孔骨架中，以防止枝晶的生长和缓解体积变化。

但是目前商业化的3D集流体对金属钠和金属钾的润湿性差，因而导致金属钠和钾在沉积的过程中产生大的极化以及不均匀的钠/钾沉积，最终使这种金属电池的循环寿命大大缩减。为了解决这一问题，Liangbing Hu^[1]将碳材料在1000℃进行碳化已获得良好的亲钠性能。而Jun Chen^[2]等人采用对氧化石墨烯溶液进行低压(19Pa)的超低温(-47℃)处理已获得良好亲钠性的氧化石墨烯，随后通过高温熔融的方法将液体钠灌入氧化石墨烯中。这些制备亲钠材料的方法极为复杂，且对设备成本极高，难以产生实际化的应用。而对于亲钾材料的制备与应用，目前文献还鲜有报道。

[1]W.Luo，Y.Zhang，S.Xu，J.Dai，E.Hitz，Y.Li，C.Yang，C.Chen，B.Liu，L.Hu，Encapsulation of metallic Na in an electrically conductive host with porouschannels as a highly stable Na metal anode，Nano Letters 17(2017)3792-3797.

[2]X.Hu，Z.Li，Y.Zhao，J.Sun，Q.Zhao，J.Wang，Z.Tao，J.Chen，Quasi-solidstate rechargeable Na-CO₂batteries with reduced graphene oxide Na anodes，Science Advances 3(2017)e1602396-e1602402.

发明内容

针对3D多孔集流体普遍存在的对金属钠和金属钾的润湿性差、钠/钾沉积不均匀、电池的循环性能较差的技术不足，本发明第一目的在于提供一种亲钠或者钾的3D多孔锌负载集流体(本发明也称为复合锌多孔集流体，或者简称为亲钠或钾集流体)。

本发明第二目的在于，提供了一种所述的3D多孔锌负载集流体的制备方法。

本发明第三目的在于，提供了一种所述的3D多孔锌负载集流体在制备钠离子电池负极或者钾离子电池负极中的应用。

本发明第四目的在于，提供一种由所述的3D多孔锌负载集流体制得的3D多孔亲钠或钾的电池负极(本发明也简称为负极)，使钠/钾均匀沉积，大大提升金属电池的循环寿命。