[发明专利]一种改性平面集流体、其制备方法和锂电极、锂电池

说明书

本发明涉及锂电池技术领域，本发明提供了一种改性平面集流体、其制备方法和锂电极、锂电池，该改性平面集流体包括：二维平面基底和构筑在其表面的图案化异质结阵列；所述图案化异质结阵列形状均一，并且具有亲锂性。在本发明中，所述的均匀图案化的异质结亲锂区域使得电场分布更加均匀，使得锂离子通量更加均匀，也提高了对电解液的浸润性(可由接触角测试结果证明)。本发明调节平面基底材料表面能，增强与电解液的润湿性，可以实现均匀致密的锂沉积，提高整体能量密度。此外，本发明操作简单，容易重复均匀化制备，容易实现超薄锂箔材的构筑，避免锂电池过量锂的使用。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体为一种改性平面集流体、其制备方法和锂电极、锂电池。

背景技术

在金属锂二次电池中，锂电极是影响电池电化学性能的主要因素，对锂电极的研究非常重要。经过一些研究，金属锂二次电池的应用仍存在的一个重要问题是锂枝晶问题。锂金属在循环过程中不均匀的沉积导致枝晶的形成，造成无限的体积膨胀效应，使得锂金属本体发生破碎与基底失去良好电接触，过早使得锂变成无电化学活性的锂。此外，锂的容量相对比正极是远远过量的，这也不利于电池整体能量密度的提升。因此，常采用以下方式缓解锂在循环过程中的体积膨胀和提升沉积的均匀性。

其中的一种改进方式是以三维骨架为主体材料，采用电镀或者是熔融热灌注锂实现锂与三维骨架的复合。但是，三维骨架多为不能提高电化学容量的成分，占据较大的无电化学活性的质量，从而降低电池整体能量密度；而且高的比表面积增加了与电解液的接触面积，在循环过程中造成不可避免的副反应，使库伦低下而影响容量的发挥。

此外，三维骨架由于三维的空间结构，无法均匀的精准设计亲锂性区域引导锂的均匀沉积，相对来说，二维平面集流体更加容易操作。公开号为CN107946541A的中国专利文献公开了一种锂金属极板及其应用的锂金属电池，该文献中的锂金属极板大致包括：一集电层，至少一锂金属层，至少一绝缘框体，一多孔电性绝缘层，至少一离子扩散层。

虽然上述文献技术中是采用多层复合结构蒸镀薄层锂，但是这种操作手段影响因素大，仍不容易均匀制备薄层锂。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种改性平面集流体、其制备方法和锂电极、锂电池，采用本发明改性后的二维平面集流体，能实现锂的均匀沉积，利于超薄锂箔材的制备，从而提高电池整体能量密度。

本发明提供一种改性平面集流体，包括：二维平面基底和构筑在其表面的图案化异质结阵列；所述图案化异质结阵列形状均一，并且具有亲锂性。

优选地，所述图案化异质结阵列区域与改性平面集流体表面的面积比例为0.5-0.9：1。

优选地，所述图案化异质结阵列中相邻两个异质结之间的间距为各图案横向尺寸的0.25-1。

优选地，所述二维平面基底选自铜箔、镍箔或不锈钢箔；所述图案化异质结阵列的制作材料为半导体材料或导电性锂合金源材料。

优选地，所述半导体材料选自金属氧化物或金属氮化物，优选为氧化锌、氧化镁、氧化钴、氧化铜或氮化铜；所述导电性锂合金源材料为金、银、镓、铟、锡、锌、镁、铝、钼、石墨或石墨烯，优选为金、银、锡或石墨烯。

优选地，所述图案化异质结阵列中各图案形状为圆形或方形。

本发明提供如前文所述的改性平面集流体的制备方法，包括：

采用亲锂性物质通过掩模版在二维平面基底表面溅射或等离子刻蚀，形成形状均一的图案化异质结阵列，得到改性平面集流体。

本发明提供一种锂电极，其由前文所述的改性平面集流体通过锂的电沉积制成。

本发明提供一种锂电池，其包括前文所述的锂电极。