[发明专利]一种柔性三维金属锂负极材料的制备方法

说明书

本发明提出了一种柔性三维金属锂负极材料的制备方法，使用三维碳布材料作为柔性电极的基底，在三维碳布表面生长一层硅纳米线，借助于硅纳米线与熔融金属锂发生的合金化反应，有效的提高了碳布三维基底对熔融金属锂的浸润性，解决了常规三维骨架的“疏锂”问题。此外，纳米尺寸的硅线交织结构提高了三维骨架对熔融锂的接触面积，提高了金属锂在骨架中的负载量、避免了锂枝晶的成核和生长。

技术领域

本发明属于电池储能系统负极技术领域，尤其涉及一种柔性三维金属锂负极材料的制备方法。

背景技术

目前，可充电电池在手机、笔记本电脑、智能手表等电子设备中发挥着重要的作用。随着对便携式电池的高容量和柔性需求的日益增长，开发更高能量密度的柔性电池逐渐成为当前储能电池技术发展的关键科学问题。其中，锂离子电池、锂硫电池和锂空气电池等被认为是最具发展潜力的未来电池系统，其原因在于它们使用的锂金属负极具有最高的理论比容量(3860mAh/g)和最低的电化学电位(-3.04Vvs标准氢电极)。近年来，为了开发出结构稳定的柔性金属锂负极，研究者提出了各种解决方案，例如使用具有柔性的铜网骨架、三维石墨烯骨架以及金属网络结构骨架等等。张强等人(Advanced FunctionalMaterials,2017,27(24):1700348)通过将熔融锂快速填充到泡沫镍中，制备了柔性金属锂电极。

然而，现有技术的金属锂负极存在以下缺陷：1)柔性较差，严重制约了高容量柔性电池系统的发展；2)泡沫镍骨架对熔融金属锂的浸润性很差，这些金属基底通常是“疏锂”的，在电极制备的过程中只能吸附少量的金属锂，并且倾向于吸附在金属骨架的表面上；在电池进行弯曲时，金属锂极易从基底上脱落，具有较差的柔性和使用寿命。3)锂金属与电解质组分之间的副作用，以及锂在沉积溶解过程的不均匀性，极易导致低的库仑效率和枝晶生长，影响电池寿命，危害电池安全。因此开发和设计具有柔性、长循环寿命及稳定结构的金属锂负极是克服上述问题的关键，也是研究的热点和难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性三维金属锂负极材料的制备方法，以获取一种柔韧性、机械强度以及导电性质均良好的高性能柔性金属锂负极。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性三维金属锂负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：对三维碳布进行预处理以获取三维碳布负极基底；

步骤S2：对所述三维碳布负极基底依次进行镀金催化剂处理、活化处理后，通入SiH₄气体，之后通入氧气，最终获取镀有硅纳米线的三维碳布负极基底；

步骤S3：将锂片置于高温环境中加热以获取熔融液态金属锂；

步骤S4：将所述镀有硅纳米线的三维碳布负极基底置于所述液态金属锂中，之后取出静置，获取所述柔性三维金属锂负极材料。

优选地，在步骤S2具体为：

步骤S21：在所述三维基底上覆盖金颗粒，以获取镀有金催化剂的三维碳布负极基底；

步骤S22：通入氢气，对所述镀有金催化剂的三维碳布负极基底依次进行高温处理和保温处理，以活化所述金催化剂；

步骤S23：在高温环境下通入SiH₄气体，继续保温处理，以获取沉积硅纳米线的三维碳布负极基底上；

步骤S24：对沉积硅纳米线的三维碳布负极基底进行降温处理，待降至室温时，通入氧气，对沉积纳米线的三维碳布负极基底进行原位氧化处理，获取镀有硅纳米线的三维碳布负极基底。

优选地，，在步骤S22中，所述高温处理的升温速率为5℃/min；所述高温处理的温度为600℃；所述保温处理的时间为1h。