[发明专利]一种三维柔性金属负极及其制备方法

说明书

本发明属于金属二次电池领域，并公开了一种三维柔性金属负极及其制备方法。该方法包括下列步骤：(a)配置金属纳米线墨水，选取海绵并将该海绵浸入金属纳米线墨水中浸泡直至饱和，取出海绵干燥，获得三维柔性集流体；(b)选取金属负极，将三维柔性集流体作为正极，利用该正极和金属负极组装扣式半电池；(c)将扣式半电池进行电沉积，使得金属负极沉积在三维柔性集流体上，拆解扣式半电池，获得表面沉积有金属负极的三维柔性集流体，即所需的三维柔性金属负极。本发明还公开了上述方法制备获得的产品。通过本发明，降低金属成核过电势，吸收并释放电沉积过程中产生的应力，以此解决金属负极中枝晶生长的问题。

技术领域

本发明属于金属二次电池领域，更具体地，涉及一种三维柔性金属负极及其制备方法。

背景技术

随着人类社会和现代科技的飞速发展，传统化石能源(煤炭、石油和天然气)的过度需求导致了大量的资源消耗和恶劣的生存环境问题，因此，开发高效的新型清洁能源和储能技术变得愈加迫切，其中二次电池作为具有较高效能的储能技术具有十分重要的研究意义，金属锂，钠和锌凭借其高的理论比容量，被认为是下一代高功率、高能量密度二次电池中发展潜力巨大的负极材料。

尽管上述金属二次电池拥有非常高的比能量密度，但是在充放电过程中，金属锂，钠和锌负极仍然存在两个主要问题限制着其实际应用：其一，在不断的金属沉积/溶解过程中会倾向于形成树枝状枝晶，持续生长的枝晶会穿透隔膜，造成电池内部短路，可能引发起火灾和爆炸等严重的安全问题；其二，金属枝晶的肆意生长会导致剧烈的体积膨胀负极粉化，从而影响金属二次电池的稳定性和循环性能，缩短电池寿命。因此，保证无枝晶的金属沉积是实现高安全金属二次电池的最基本要求。近年来，科研工作者们投入了大量精力提出了一系列改进策略，其中构建三维集流体被认为是一种行之有效的方式，中国科学院化学研究所郭玉国研究团队(Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,1094)报道了一种Al包覆的亲锂性3D Cu@Al集流体，实现了金属Li的均匀沉积，在一定程度上控制了严重的Li枝晶生长问题；北京科技大学范丽珍研究团队(Energy Storage Mater.2018,15,274)报道了一种三维多孔CuNWs@Cu集流体，实现了金属钠可控的沉积，并有效的抑制了钠枝晶的生长；中南大学梁叔权研究团队(Chem.Eng.J.2020,379,122248)报道了一种三维泡沫铜集流体，在一定程度上有效的调控锌枝晶的生长；尽管上述工作在一定程度上缓解了金属二次电池所存在的问题，但所采用的衬底都是刚性结构，并且整体结构对金属锂、钠和锌无亲和性，因此无法从根源上解决金属枝晶的生长。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维柔性金属负极及其制备方法，通过选取柔性三维集流体以及金属锂、钠和锌具有良好亲和性的金属纳米线，降低金属成核过电势，吸收并释放电沉积过程中产生的应力，以此解决金属负极中枝晶生长的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种三维柔性金属负极的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)配置金属纳米线墨水中，选取海绵并将该海绵浸入所述金属纳米线墨水中浸泡直至饱和，取出所述海绵干燥，获得三维柔性集流体；

(b)选取金属负极，将所述三维柔性集流体作为正极，利用该正极和负极组装扣式半电池；

(c)将所述扣式半电池进行电沉积，使得所述金属负极沉积在所述三维柔性集流体上，拆解所述扣式半电池，获得表面沉积有金属负极的三维柔性集流体，即所需的三维柔性金属负极；在所述电沉积过程中，所述三维柔性集流体降低金属成核过电势，吸收并释放电沉积过程中产生的应力，抑制金属负极枝晶的生长，以此提高三维柔性金属负极的循环稳定性和倍率性能。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述金属纳米线墨水中金属纳米线的直径和长度分别为40nm～200nm和5μm～100μm；金属纳米线墨水所用溶剂为无水乙醇或异丙醇，金属纳米线墨水优选为银纳米线墨水或金纳米线墨水，该金属纳米线墨水的浓度为0.03～0.18mol/L。