[发明专利]一种柔性一体化三维碳基金属锂负极材料、制备方法及其应用

说明书

本发明属于柔性电极器件技术领域，提供了一种柔性一体化三维碳基金属锂负极材料、制备方法及其应用，以碳布作为集流体，通过将纳米硅粉分散在无水乙醇中制备的悬浊液均匀地滴加在碳布上的方法，使纳米硅粉颗粒通过悬浊液引入到碳布的纤维束中，获得碳布/硅粉复合材料，然后将碳布/硅粉复合材料浸入熔融锂中，获得碳布/硅粉/金属锂复合材料，即柔性一体化三维碳基金属锂负极材料。该材料具有良好的的柔韧性、机械性能和电化学性能，可直接作为三维自支撑的金属锂负极。利用该电极组装的锂离子电池表现出优异的循环稳定性和高的倍率性能，并且具有高柔韧度、结构稳定、机械性能良好等优点，为高性能柔性储能器件的发展提供了新思路。

技术领域

本发明属于柔性电极器件技术领域，具体涉及一种柔性一体化三维碳基金属锂负极材料、制备方法及其应用。

背景技术

随着人们对可弯折、可穿戴柔性电子器件的需求日益增长，具有高容量、轻质的柔性储能器件也随之飞速发展。在不远的将来，可折叠或可弯曲的柔性电子产品，如无线传感器、可弯折显示器、柔性智能卡、柔性智能手表等，会影响甚至改变人类的生活方式。柔性储能器件是便携式电子产品的核心部件，开发具有柔性轻量化的储能器件将成为今后研究的重点方向之一。因此，与柔性电子产品相匹配的柔性储能器件也得到了人们广泛的关注。

柔性电极材料作为柔性储能器件的核心，应具备质软、轻量、高能量密度和高倍率性能等优点。由于金属锂具有非常高的理论比容量(3860mAh/g)、最低的还原电势(-3.04Vvs标准氢电极)，所以有望成为下一代高能量密度二次电池的负极材料。然而，在充放电过程中，金属锂的不均匀沉积会产生锂枝晶。一方面，锂枝晶可能会刺穿隔膜引起内短路，甚至会引起自然爆炸等安全问题。另一方面，结构疏松的锂枝晶易脱落形成无电化学活性的“死锂”。而且，在锂离子反复沉积和析出过程中，金属锂负极表面粉化导致总表面积增大，消耗大量的电解液形成固体电解质界面膜，从而造成电池容量的衰减和电池使用寿命的缩短。此外，常规金属锂负极的机械柔性较差，限制了高容量柔性锂金属电池的进一步应用。因此，开发和设计具有高容量、结构稳定的柔性金属锂负极是解决上述问题的关键，也是未来柔性储能器件最具前景的发展方向之一。

针对上述的研究方向和解决锂枝晶的问题，国内外的研究者开发的柔性电极材料多是复合电极，主要包括两大类。一类是以活性物质本身作为独立的自支撑复合电极，利用材料自身的机械柔性来实现，这种策略制备的柔性电极不需要额外的粘结剂、导电剂的加入同时又具有电化学活性，例如三维石墨烯骨架、碳纳米管、碳纤维等。另一类是以碳纤维布、泡沫镍、柔性铜网骨架等作为柔性集流体，将活性物质用一定的方式负载在这些集流体之上制备出柔性复合电极。张强等人(Zhang et al.,Advanced Functional Materials,2017,27(24):1700348)以泡沫镍作为集流体，将高温下的熔融锂快速填充到泡沫镍来制备柔性金属锂电极。虽然泡沫镍的柔韧性和导电性在一定程度上改善了金属锂负极的物理特性和电性能。然而，由于泡沫镍骨架对熔融金属锂的浸润性较差，在制备过程中使得泡沫镍吸附的锂较少，并且熔融金属锂倾向于吸附在金属骨架的表面上，导致电池在机械作用时，金属锂极易从金属基底上脱落，具有较差的机械性能和电化学性能。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种柔性一体化三维碳基金属锂负极材料制备方法及其应用，制备得到的柔性一体化三维碳基金属锂负极材料能够直接作为三维自支撑的金属锂负极，具有良好的柔韧性、机械性能和电化学性能。