[发明专利]一种高熵合金集流体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高熵合金集流体及其制备方法和应用，所述高熵合金集流体采用3D打印的方法制成，所述高熵合金集流体的金属元素选自Cr、Mn、Co、In、Ti、Sn、Cu、Fe、Zn、Mg、Al、Ni、Au、Ag、Ga中的5种及5种以上，在高熵合金集流体中，各金属元素的原子百分比相等，且各金属元素的原子百分比均不超过20％。本发明使用高熵合金集流体替代现有的铜箔集流体，在满足无负极锂金属电池相关要求的同时，高熵合金集流体能够有效调控锂的沉积，减少或避免了锂枝晶的形成，克服了现有无负极锂金属所存在的不足；同时，通过对制备工艺的改进，能够在低能耗、低成本的情况下制备得到质量稳定的高熵合金集流体，商业化应用潜力大。

技术领域

本发明涉及锂金属电池制备技术领域，特别涉及一种高熵合金集流体及其制备方法和应用。

背景技术

在锂离子电池中常见的负极材料是石墨，但其较低的理论容量限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。锂金属电池中由于采用金属锂作为负极，具有更高的放电容量能够使锂金属电池能量密度突破600Wh/kg。虽然金属锂的理论比容量很高，但由于其特殊的电化学活性导致循环过程中容易形成锂枝晶，给锂金属电池带来安全性问题。

近几年兴起的无负极锂金属电池可以很好的平衡安全性和高能量密度，成为业内的研究热点。无负极锂金属电池通常采用铜箔作为集流体，不再含有石墨或金属锂等负极材料，而正极则由常见的含锂材料(如磷酸铁锂、碳酸铁锂、三元正极、钴酸锂等)构成的电池体系，由于负极直接采油工铜箔而非超高化学活性的金属锂，极大降低了电池制造成本和提升了电池能量密度，给电池组装和安全性带来了便利和保障。无负极锂金属电池在充电过程中，锂离子在负极铜集流体表面与电子结合，发生锂的沉积行为，在放电过程中，沉积在负极铜集流体上的锂金属发生溶解，重新回到正极当中，如此反复，由于没有负极活性材料，使得无负极锂金属电池的能量密度得到了极大提升。然而，无负极锂金属电池在循环过程中，由于存在锂沉积不均匀，其容易产生锂枝晶，造成电池的短路；同时循环过程中生成的SEI膜不稳定和产生“死锂”，导致作为唯一锂源的正极材料中有限的锂源不断被损耗，引起电池容量的快速衰减。因此，提高循环寿命和减少锂枝晶形成是无负极锂金属电池最亟需解决的两大关键问题。

如何解决无负极锂金属电池所存在的两大关键问题，目前常用的方案有：1、优化电解液：即通过选择与锂金属适配的电解液或者搭配固态电解质，构建稳定的固态电解质膜，以减少循环过程中活性锂的消耗；2、集流体修饰：即通过对铜集流体表面进行改性，调控充放电过程中锂的沉积溶解行为，以提高循环的可逆性；3、预锂化处理：即为电池体系中提供额外的锂，以减缓电池的衰减。然而，目前这些技术手段难以有效克服无负极锂金属电池所存在的缺陷，研究成果仅停留在实验室阶段，难以进行商业化推广应用。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高熵合金集流体及其制备方法和应用，本发明使用高熵合金集流体替代现有的铜箔集流体，在满足无负极锂金属电池相关要求的同时，高熵合金集流体能够有效调控锂的沉积，减少或避免了锂枝晶的形成，同时，通过对制备工艺的改进，能够在低能耗、低成本的情况下制备得到质量稳定的高熵合金集流体，商业化应用潜力大，克服了现有无负极锂金属所存在的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种高熵合金集流体，其特征在于，所述高熵合金集流体采用3D打印的方法制成，所述高熵合金集流体的金属元素选自Cr、Mn、Co、In、Ti、Sn、Cu、Fe、Zn、Mg、Al、Ni、Au、Ag、Ga中的5种及5种以上，在高熵合金集流体中，各金属元素的原子百分比相等，或者原子百分比相差不超过1％，且各金属元素的原子百分比均不超过20％，所述各金属元素的原子百分比之和为100％。