[发明专利]一种高性能液态金属电池负极集流体及其制备方法

说明书

本发明提供一种高性能液态金属电池负极集流体及其制备方法，属于电池材料制备技术领域。本发明采用化学气相沉积法在镍基合金泡沫骨架上原位可控生长石墨烯层，实现石墨层与镍基合金泡沫材料基体紧密结合，获得高性能负极集流体。一方面，利用石墨防护层作为防止腐蚀的有效屏障，能够延长镍基合金泡沫基体腐蚀发生的时间与侵蚀物质的侵入路径，实现液态金属电池的长效稳定化运行；另一方面，所制备的鱼鳞状石墨层独特的微观形貌，改善了集流体对液态金属锂的润湿性，从而提高了充放电稳定性。将该石墨@镍基合金泡沫复合材料作为负极集流体所装配的液态金属电池，具有优异的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明属于电池材料制备技术领域，具体涉及一种高性能液态金属电池负极集流体及其制备方法。

背景技术

大规模固定储能系统对增强太阳能和风能等可再生能源的整合起着重要的推动作用，并且对于提高电网可靠性和利用率也至关重要。液态金属电池是一种面向电网级储能应用的新兴电池储能技术，因其具有材料成本低廉、制造工艺简单、能量密度高和循环寿命长等诸多优势，得到了储能技术研究及能源投资领域的广泛关注。

然而，由于液态金属电池要求正负极和电解质在工作时全部处于熔融状态，因而工作温度较高(400-700℃)。高的工作温度易引起电池结构失稳以及由材料的热腐蚀导致的电化学性能的衰减等关键问题。作为液态金属电池重要组成部分之一的负极集流体，处于活泼性高的锂金属熔体和熔盐环境中，工作条件苛刻。负极集流体的结构稳定性直接影响电极反应的稳定性。目前，液态金属电池主要以Ni和镍基合金泡沫作为负极集流体，这主要是利用其存在大量连通的网状空间，为液态金属锂提供大量的接触面积和储锂空间(IOPConf.Ser.:Mater.Sci.Eng.228,012013,2017)。然而，在高温熔盐和液态金属锂的强腐蚀环境下，负极集流体的腐蚀问题在所难免，同时，镍基合金泡沫作为负极集流体对液态锂的浸润性不好，在电池循环过程中液态金属锂极易从集流体中“逃逸”，造成一定的容量损失。因而，需要继续寻找一种在高温金属锂熔体中耐腐蚀、对熔融金属锂有较好润湿特性的负极集流体材料。

需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能液态金属电池负极集流体及其制备方法，解决背景技术所存在的现有集流体不能同时解决腐蚀和润湿性的问题，将其应用于液态金属电池，提高电极反应速度并改善电极工作稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种高性能液态金属电池负极集流体，所述的复合材料包括由石墨层和镍基合金泡沫骨架基体材料，所述基体材料选自镍和镍基合金。

优选地，所述基体材料具体为泡沫镍、泡沫镍铁、泡沫镍钨、泡沫镍钼、泡沫镍铬、泡沫镍钴。

优选地，所述基体材料的孔径为40-80PPI，孔隙率为90-98％，厚度为5-100mm。

优选地，所述的镍基合金基体材料镍的含量为80-100wt.％。

优选地，所述的石墨层是由多层石墨烯层组成。

本发明提供一种一种高性能液态金属电池负极集流体的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将镍基合金泡沫基体材料浸泡于丙酮中，超声清洗后用酒精冲洗，以去除材料表面的油污，然后用N₂气吹干得到清洗后的基体材料。

步骤2：将步骤1所清洗的基体材料，先在保护气氛下进行退火处理；紧接着在保护气氛成分不变的情况下将碳源通入设备中，采用常压化学气相沉积技术在其基体骨架上生长石墨层。

步骤3：将步骤2获得的材料放入丙酮中超声处理以去除表面结合力弱的碳，最终得到石墨@镍基合金泡沫复合材料为骨架的负极集流体。