[发明专利]一种负极集流体、其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种负极集流体，所述负极集流体包括集流体基体材料和覆盖于所述集流体基体材料表面的诱导层，所述诱导层用于诱导金属沉积，还提供了其制备方法和应用。本发明适用于以各种金属(锂、钠、镁、铝、钾、锌)为负极(阳极)活性物质的二次电池。使用本发明所述的集流体(负极)能够有效抑制电池负极上的枝晶生长及活性金属与电解质间的副反应，提高二次电池的安全性、循环效率和循环寿命。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种负极集流体、其制备方法与应用。

背景技术

随着便携式电子设备和电动汽车的发展，人们对高能量密度储能器件的需求日益迫切。基于嵌入化学的二次电池(如锂离子电池)由于储锂主体晶体结构的限制等原因而遭遇能量密度瓶颈。因此，人们将研发重点转向基于活性金属沉积与溶出的以各种(轻质)金属为负极(或称阳极)活性物质的二次电池如锂二次电池(负极活性材料为金属锂，正极(或称阴极)活性材料为氧化物、氟化物、聚阴离子化合物、硫、氧气等)、钠二次电池、锌二次电池、钾二次电池、镁二次电池、铝二次电池及(全)固态金属电池等。在这些电池中，活性金属离子(如Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Al³⁺等)在电池的正负极之间的电解质中运动，并在电池负极侧发生沉积(电池充电时)与溶出(电池放电时)。这些以金属的电化学沉积和溶出为基础的负极材料通常具有非常高的比容量，与适当正极材料所构成的金属二次电池也具有较高的工作电压和非常高的能量密度。但是，由于沉积与溶出过程中电池负极的电流密度分布不均匀，活性金属的沉积或溶出经常是不均匀的，从而在沉积过程中产生金属枝晶造成电池的安全隐患，或在溶出过程中因枝晶折断而与周围活性金属或集流体失去电接触形成“孤岛”，缩短了电池的循环寿命。在更严重的情况下，金属枝晶会刺破电池隔膜或穿过固态电解质连通电池正负电极，造成电池内短路，引起电池失效甚至燃烧爆炸。有效防止金属枝晶的生长是保证各类金属二次电池安全性的关键。另一方面，在活性金属的沉积与溶解过程中，金属电极的体积和表面积变化巨大，活性金属与电解质之间的副反应等降低了电池的能量转换效率、活性物质利用率、电池循环寿命，限制了电池应用，因此需要保护负极上的活性金属。(天然形成或人工制备的)覆盖于负极集流体或活性金属负极表面的保护层也可能导致活性金属的不均匀沉积，甚至活性金属就沉积在这一保护层上。另外，金属沉积溶解时发生的巨大体积变化使电池的负极/电解质界面接触变差，增大了电池内阻和电池极化，降低了电池的能量转换效率，缩短了电池寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种金属二次电池负极集流体(或负极)、其制备方法和应用。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“活性金属”是指：参与相应电池中电化学反应的金属物质。

术语“活性金属诱导物质”是指：对活性金属的沉积具有诱导或引导作用的物质。

术语“负极集流体”是指：允许活性金属附着于其表面的非活性金属物质薄片，一般要求具有较强的抗还原能力、良好的机械延展性和导电能力。

术语“负极”是指：由适当集流体和负载其上的活性物质组成的薄片，位于电池的电势较低侧。

术语“聚合物电解质”是指：以适当适量溶剂将按照原子比O:Li(或N:Li或O:Na或N:Na)＝8～14配料的极性高分子聚合物(聚环氧乙烷PEO、聚甲基乙撑碳酸酯PPC、聚丙烯腈PAN与锂盐(三氟甲基磺酸胺锂LiTFSI)、六氟磷酸锂LiPF₆)、高氯酸锂LiClO₄)、钠盐三氟甲基磺酸胺钠LiTFSI、六氟磷酸钠NaPF₆、高氯酸钠(NaClO₄))混合溶解，然后蒸去溶剂后得到的具有锂(或钠)离子传导能力的粉体、膜状或块体材料，其中O是PEO或PPC中的含氧(O)单元，N是PAN中的含氮(N)单元。