[发明专利]用作电极的具有分层结构的大面积铜纳米泡沫

说明书

一种简便方法基于使用大面积铜箔代替铜粉末的包埋渗工艺。通过控制包埋渗时间和合金元素(例如，铝)的量，能够产生分层多微孔或纳米多孔铜。当用锡活性材料涂布时，所述分层多微孔或纳米多孔铜能够被用作先进锂离子电池负极。纽扣电池测试显示出如与传统石墨负极比较高四倍的面积容量(例如，每平方厘米7.4毫安时，在多达20次循环情况下没有任何性能降级)。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2018年12月18日提交的美国专利申请62/781,579的权益，该申请连同本申请中引用的所有其他参考文献一起通过引用并入。

技术领域

本发明涉及金属电极的领域，并且更具体地涉及制造在包括电池和储能单元的能源装置中用作先进电极的具有分层结构的大面积铜纳米泡沫的技术。

背景技术

尚未在实际应用实现脱合金的纳米多孔铜的制造技术。这是因为任何结果具有通过在脱合金之前使用金属“粉末”来产生前体合金所引起的小尺寸和差机械性能。

因此，需要改进的具有为锂离子电池仔细地设计的结构的电极材料，以提高锂离子电池容量和功率性能以供在现代移动和电子装置中使用。

发明内容

简便合成基于使用铜箔代替铜粉末的包埋渗工艺。取决于包埋渗时间和铝的量，分层多微孔或纳米多孔铜被产生并且能够用锡进行涂布以用作锂离子电池负极(anode)。纳米铜泡沫负极的纽扣电池测试显示出由于其相当更高的表面面积而比传统石墨负极高四倍的面积容量(每平方厘米7.4毫安时，在多达20次循环情况下没有任何性能降级)。

一种技术利用包埋渗工艺来以箔的形式制造前体合金并且利用脱合金工艺来遍及试样形成纳米级铜支柱和孔，产生分层多微孔或纳米多孔或全纳米多孔铜(NPC)。附加地，此方法能够用于在具有高再现性和像样的机械性能的新箔基工艺的基础上制造大面积纳米铜泡沫。与任何常规方法比较，此方法是更简单的制造工艺。

作为代表性实施例，铝-铜合金前体箔被选择并且以能够从约20原子％至约85原子％变化的铝浓度来处理。铝浓度能够表示当它被随后蚀刻掉时的孔隙率。合金前体能够在脱合金溶液(HCl)中起反应。由于铝-铜相不同所以腐蚀行为不同，能够将纽带尺寸修改为从约50纳米至约500纳米，并且能够将孔尺寸控制为从约10纳米至约10微米。

为了形成铝-铜前体合金箔，包埋渗温度能够从约400摄氏度至约900摄氏度变化。在约20摄氏度至约100摄氏度下，脱合金溶液可以是约0.01摩尔至约20摩尔的盐酸(HCl)溶液。包埋渗可以包含一种或多种金属粉末、填料和卤化物盐活化剂的混合粉末包。

能够基于参考标准氢电极的化学腐蚀电位差来对所制作的前体合金进行脱合金工艺。因此，铝能够用与铜比拥有更大的腐蚀性的另一元素替换。例如，其他元素可以是镁(Mg)、硅(Si)、铬(Cr)、铌(Nb)、锌(Zn)、钛(Ti)、钼(Mo)、锡(Sn)或锰(Mn)或任何组合。卤化物盐可以是氯化钠(NaCl)、氟化钠(NaF)或氯化铵(NH₄Cl)或组合。

能够将包埋渗温度设置在金属前体的熔化温度以下。脱合金溶液可以是以下溶液中的一种：氯化氢(HCl)、氢氧化钠(NaOH)、硝酸(NaOH)、磷酸(H₃PO₄)或高氯酸(HClO₄)或组合。

所制造的分层多微孔或纳米多孔或全纳米多孔铜(NPC)由于其大的表面面积和独特的三维结构而能够被用于各种能源装置。作为一个实施例，它在用锡活性材料涂布之后被用作锂离子电池负极集流器，所述锡活性材料与锂离子起反应并且储存锂离子，而且在充放电循环过程期间很好地适应体积膨胀。