[发明专利]一种亲锂杂原子和金属氧化物共掺杂的三维纤维框架锂电池负极及制备

说明书

一种亲锂杂原子和金属氧化物共掺杂的三维纤维框架锂电池负极及制备，属于锂电池负极技术领域。具体制备：在明胶溶液中合成氢氧化锌，形成分散均匀的悬浊液；利用静电纺丝技术将上述悬浊液纺在铜箔表面，形成静电纺丝纤维膜，之后在室温下静置令溶剂挥发完，形成带有明胶纺丝膜的铜箔；加热，使得氢氧化锌转化为氧化锌；将修饰过的铜箔与金属锂片组装成纽扣电池，静置10小时后，利用电化学沉积方法使得金属锂沉积在修饰过的铜箔上；将纽扣电池拆解并取出铜箔即得到所需金属锂负极。解决了锂负极在电池循环过程中锂枝晶的产生及生长问题，具有优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种亲锂杂原子和金属氧化物共掺杂的三维纤维框架锂电池负极的设计制备方法及所得锂负极，属于储能器件，能源材料领域。

背景技术

新型的可再生能源，诸如水能、太阳能等的利用，电动汽车等的逐步市场化，各种便携式设备的快速发展，均需要高效实用的能量储运体系，但是对于新型的“绿色”储能器件，在关切其“绿色”的同时，能够决定其是否适合工业化应用的关键是其是否具有高功率密度、高能量密度等重要指标。新型的电源体系，特别是二次电池是目前重要的“绿色”储能装置。

自20世纪90年代首次推出以来，锂离子电池作为便携式设备市场中的主流产品之一，已有20多年的历史，是最常见的可充电电源之一，金属锂具有很高的电负性，同时在所有金属中具有最低的密度，因此具有最高的比容量(3861mA h g^-1)，被认为是最佳的可再充电池负极。但是锂负极在使用过程中存在严重的问题——锂枝晶的产生及生长，一方面，锂枝晶在在发展生长到一定的程度时会与负极分离进入电解液中形成“死锂”，从而降低负极金属的利用率，另一方面，当锂枝晶较大时容易刺穿隔膜使得电池正负极接触，造成电池短路，产生安全问题。锂枝晶的产生和发展严重妨碍了锂电池的长循环稳定性及电池的安全性等，因此，现在急需开发一种稳定安全的锂电池负极以促进锂电池行业的发展。

过渡金属氧化物，包括：Fe₂O₃,ZnO,Mn₃O₄,NiCo₂O₄和CoFe₂O₄等具有较高的理论容量和很好的亲锂性，在锂电池负极中具有很好的应用前景。

明胶是一种天然的高分子材料，由动物皮肤、骨等结缔组织中的胶原部分降解而成，故其结构与生物组织结构相似，明胶主要组成为80％以上的蛋白质，其余为水跟无机盐，具有很好的分散性、粘结性等，在当前追求环境保护以及绿色化学的趋势下，利用明胶的高分子特性并将其应用于电池的制作中，具有很好的应用前景。

发明内容

为了更好地满足社会发展对于稳定安全的二次可充放锂电池的需求，本发明提供一种亲锂杂原子和金属氧化物共掺杂的三维纤维框架锂电池负极的设计制备方法及所得锂负极，以解决锂负极在电池循环过程中锂枝晶的产生及生长问题。

本发明提供的锂负极的制备方法包括以下步骤：

(1)在明胶溶液中二水合醋酸锌和一水合氢氧化锂原位反应合成氢氧化锌，形成分散均匀的悬浊液；

(2)利用静电纺丝技术将上述悬浊液纺在铜箔表面，形成静电纺丝纤维膜，之后在室温下静置令溶剂挥发完，形成带有明胶纺丝膜的铜箔；

(3)将带有明胶纺丝膜的铜箔在180℃下加热，使得氢氧化锌转化为氧化锌；

(4)将修饰过的铜箔与金属锂片组装成纽扣电池，静置10小时后，利用电化学沉积方法使得金属锂沉积在修饰过的铜箔上；

(5)将纽扣电池拆解并取出铜箔即得到所需金属锂负极。

进一步地，步骤(1)中二水合醋酸锌和一水合氢氧化锂反应为：