[发明专利]锂金属电池负极用多孔铜集流体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂金属电池负极用多孔铜集流体，包括多孔基底材料、覆盖该多孔基底材料表面的聚多巴胺层和包覆该聚多巴胺层的铜层。本发明还公开一种锂金属电池负极用多孔铜集流体的制备方法，步骤包括：将多孔基底材料浸泡于浓度为1～5mg mL^‑1的多巴胺溶液中于20～25℃下保温20～24h，在基底材料表面形成聚多巴胺层；将形成有聚多巴胺的基底材料表面冲洗干净后置于浓度为0.01～0.1mol L^‑1的二价铜离子溶液中；加入还原剂，在水浴30～50℃保温5～10h，取出洗净，得到多孔铜集流体。

技术领域

本发明属于锂金属电池技术领域，具体涉及一种锂金属电池负极用多孔铜集流体及其制备方法。

背景技术

使用石墨作为负极的锂离子电池已经无法满足人们对于电动汽车等大型设备高能密度的需求。金属锂作为锂电池负极材料中的“圣杯”，具有超高理论比容量3860mA h g^-1和最低的电极电位-3.04V，既可以被应用于锂空气、锂硫等下一代高能量密度储能体系中，也可以与现有锂离子正极材料配对，从而大幅度提升现有二次电池能量密度。然而金属锂在长循环中沉积不均匀，表面易产生大面积树枝状“毛刺”即锂枝晶，此过程不仅大量消耗锂，造成容量大幅度衰减，更为严重的是，枝晶可穿透隔膜造成短路，从而引发严重的安全问题。

目前通用的抑制枝晶的办法大多集中在构建高效SEI(Solid electrolyteinterface)膜，改变电解液成分，优化SEI膜形成。虽然各种添加剂成分可在一定程度上改善枝晶，然而由于锂金属活泼性高，在长循环测试中，锂金属会与电解液发生不可逆反应，造成容量衰减。固态电解质和凝胶电解质可有效避免这一问题，例如专利文献CN107968219A，使用无机电解质颗粒包括硫系固态电解质形成单颗粒分散层并分散于聚合物基体，无机电解质颗粒的头部和尾部均露出于聚合物基体。然而由于其锂离子电导率低，需要在高温下循环操作，给实际加工生产带来不便。构建保护层也取得了显著进步，例如专利文献CN107068971A，对锂负极进行电化学预处理引入稳定的固态电解质界面膜等。然而这些方法并没有从根本上解决锂沉积时分布不均匀的问题，因而不利于长远发展。最近有方法指出，可通过构建新颖独特的基体结构从而改善锂沉积过程。采用多孔导电三维骨架可均匀分散锂离子沉积，同时缓解锂金属的体积膨胀问题，如制备多孔石墨烯、泡沫镍和纳米线铜骨架等。但是目前构建三维纳米骨架的方法往往需要复杂的模板或者昂贵的仪器，例如专利文献CN107785586A，制备三维多孔铜/石墨烯复合集流体，需要将纳米多孔金属箔片放入石英舟中，需要先后在在氩气、氢气、乙炔、氩气和氢气等气氛中高温反应，不利于实际生产。

发明内容

为了克服锂金属负极长循环中的枝晶问题，本发明提供一种锂金属电池负极用多孔铜集流体及其制备方法。本发明采用转化方法，通过两步浸泡法可将多种基底材料转换为三维铜集流体以此解决枝晶问题。由于多巴胺可依附于多种材料表面，因而本发明具有极高的通用性，大大拓展了三维多孔材料作为储锂结构的选择范围，降低生产成本，有利于工业生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锂金属电池负极用多孔铜集流体，其包括多孔基底材料、覆盖该多孔基底材料表面的聚多巴胺层和包覆该聚多巴胺层的铜层。

进一步地，所述聚多巴胺层厚度为5～10nm，所述聚多巴胺层和铜层总厚度不超过100nm。

进一步地，所述多孔基底材料选自多孔的无机材料、聚合物材料、金属材料等。

进一步地，所述无机材料包括玻璃纤维，所述聚合物材料包括聚碳酸酯滤膜，所述金属材料包括泡沫镍。

一种锂金属电池负极用多孔铜集流体的制备方法，采用两步浸泡法实现对多孔基底聚多巴胺层和铜层的包覆，以制备上述多孔铜集流体，其步骤包括：