[发明专利]一种集流体改性方法、改性集流体及其应用

说明书

本发明提供了一种集流体改性方法、改性集流体及其应用，所述方法包括，将所述金属氧化物粉末与碱金属氨基盐混合，在保护气体条件下，加热至280‑350℃并保温3‑6h，以进行氮化反应，获得金属氮化物；将所述的金属氮化物配置成悬浊液；将泡沫金属集流体置入悬浊液中，在所述氮化反应所用保护气体或真空条件下，加热至50‑80℃并保持10‑20min，以使氮化物负载于所述泡沫金属上，完成集流体改性。本发明提供的氮化物改性集流体在库伦效率测试中，循环寿命为155‑280圈，循环十圈后拟合阻抗为21‑33Ω，循环寿命长，阻抗低，具有良好的性能；同时在对称电池测试中也能获得较长的寿命660‑1000h。

技术领域

本发明属于锂金属电池中集流体改性研究技术领域，尤其涉及一种集流体改性方法、改性集流体及应用。

背景技术

集流体是指汇集电流的结构或零件，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔，也可以使泡沫金属，比如泡沫铜、泡沫镍和泡沫铁，而集流体作为离子电池中正负极所用的箔材，对其进行改性可以提高锂电池的性能，因此对其改性有望助力锂金属电池的蓬勃发展，具有商业前景。因而近年来，通过构造三维宿主结构来抑制枝晶的方法受到了广泛关注。然而，三维金属宿主结构由于表面亲锂性较差因而仍然面临着不均匀锂沉积与枝晶生长等问题。在表面构筑亲锂层能够有效提高其亲锂性。

崔等人将3D氧化聚丙烯腈纳米纤维网络放置在收集器的表面上。具有极性表面官能团的聚合物纤维可以诱导锂在聚合物纤维表面和3D聚合物层中形成均匀的锂沉积物，这显示了锂金属阳极的稳定循环。宋等人利用水热法将泡沫镍转化为三维氮掺杂石墨烯/泡沫镍支架，改善了泡沫镍骨架的锂亲性，并增大了泡沫镍骨架的比表面积。然而，纵观集流体改性的研究，不难发现其改性及制备过程是很昂贵的。专利文献CN109411764a中提出了一种氮化镍-泡沫镍复合锂金属负极集流体，在锂沉积初期，氮化镍与锂之间的转化反应不仅大大提高了泡沫镍表面的亲锂性，形成的Li₃N中间还具有较高的锂离子电导率，为锂的进一步均匀沉积提供了有利条件。然而，基于等离子体处理形成的氮化镍制备工艺复杂且没有规整的结构，无法从结构上修饰局部不规则的泡沫镍骨架。

因此，现在亟需一种方法简单，成本低廉，兼具改性集流体使锂电池具有良好使用性能的集流体改性方法。

发明内容

为了解决现有技术中集流体改性成本高的技术问题，本发明提供了一种集流体改性方法、改性集流体及其应用，其方法简单，成本低廉，同时改性集流体使锂电池具有长的循环使用寿命和低阻抗性能。

一方面，本发明提供了一种集流体改性方法，所述方法包括，

将所述金属氧化物粉末与碱金属氨基盐混合，在保护气体条件下，加热至280-350℃的温度并保温3-6h的时间，以进行氮化反应，获得金属氮化物；

将所述的金属氮化物配置成悬浊液；

将泡沫金属集流体置入金属氮化物配置成的所述悬浊液中，在所述氮化反应所用保护气体或真空条件下，加热至50-80℃的温度并保持10-20min的时间，以使金属氮化物负载于所述泡沫金属上，完成集流体改性。

进一步地，所述氮化反应过程中，加热速率为2-10℃/min。

进一步地，所述泡沫金属的直径为12-16mm，所述泡沫金属的孔径为0.3-0.8mm，所述泡沫镍的厚度为1-1.5mm。

进一步地，所述泡沫金属为如下任意一种：泡沫铁、泡沫镍、泡沫铜；所述金属氧化物为如下任意一种：四氧化三铁、三氧化二铁、二氧化锰。

进一步地，所述氧化铁粉末与所述碱金属氨基盐的摩尔比为1:1-5。

进一步地，所述碱金属氨基盐为如下任意一种：氨基钠、氨基锂。

进一步地，所述悬浊液的固含量为10-30mg·mL^-1。