[发明专利]具有功能性保护层的三维集流体、锂金属复合电极及应用

说明书

本申请公开了一种具有功能性保护层的三维集流体、锂金属复合电极及应用，具有功能性保护层的三维集流体包括三维集流体和功能性保护层；所述功能性保护层包覆在所述三维集流体表面；所述功能性保护层中包括银、金、镁、铝、锌、锡、镓、铜、氧化铝、氧化锌、氧化镁、二氧化锡、五氧化二钒、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化铜、三氧化钼、氧化锆中的一种或多种。本申请的具有功能性保护层的三维集流体与锂金属组成复合电极后，不仅可以加快锂离子的传输速率，而且可以防止电子逃逸到电极表面攻击电解质造成电池循环初期的容量衰减，从而在锂金属沉积过程中起到调控作用。

技术领域

本申请涉及一种具有功能性保护层的三维集流体、锂金属复合电极及应用，属于锂金属电池领域。

背景技术

能源是一个关键的全球性问题，毫无疑问是现代科学技术中最受关注的话题之一。化石燃料占世界一次能源消费的80％以上，造成空气污染和水污染、二氧化碳排放的温室效应以及其他严重的环境问题。2015年，195个国家在巴黎签署了减少温室气体排放的承诺，这表明能源短缺是一个亟待解决且不得不解决的问题。因此，探索新材料和创新能源转换策略至关重要。在这种情况下，二次储能装置进入人们的视野。锂电池首当其冲，尤其是具有高度便携性的锂离子电池(LIB)和锂金属电池(LMB)。锂离子电池尚未实现其全部的应用前景：石墨负极的理论比容量低(372mAh g^-1)，已经无法满足当今时代大规模储能设备对高能量密度和高功率的要求。

锂金属电池中的锂金属负极的理论比容量高(3860mAh g^-1)，同时具有较低的电极电势(-3.04V vs RHE)，被认为是最为理想的负极材料之一。然而其存在的问题也不容忽视：锂金属负极在锂沉积/剥离过程中易形成锂枝晶，不可控的锂枝晶生长会刺穿隔膜，导致电池短路发生热失控，造成安全问题。且在全固态电池中，由于固态电解质固有的刚性以及脆性，导致其与电极接触性较差以及电导率普遍较低，使得电池在循环过程中容量的快速衰减。针对上述问题，研究者从人造功能性氧化层三维集流体以及复合电极等方面展开广泛研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种优异性能锂金属复合电极的制备方法和应用。通过在三维集流体的三维骨架上均匀包覆一层功能性氧化物保护层，再与锂金属共同组成锂金属复合电极。所述三维集流体具有较大的比表面积，其被均匀而致密的功能性保护层包覆，在与锂金属组成复合电极后，不仅可以加快锂离子的传输速率，而且可以防止电子逃逸到电极表面攻击电解质造成电池循环初期的容量衰减，从而在锂金属沉积过程中起到调控作用。在全固态电池循环的初期功能性氧化物保护层发生锂化，与三维骨架充分耦合，在之后的充放电过程中实现稳定地锂沉积和剥离，从而表现出优异的循环稳定性。

根据本申请的第一方面，提供了一种具有功能性保护层的三维集流体，所述具有功能性保护层的三维集流体包括三维集流体和功能性保护层；

所述功能性保护层包覆在所述三维集流体表面；

所述功能性保护层中包括银、金、镁、铝、锌、锡、镓、铜、氧化铝、氧化锌、氧化镁、二氧化锡、五氧化二钒、五氧化二铌、五氧化二钽、氧化铜、三氧化钼、氧化锆中的一种或多种。

可选地，所述功能性保护层为一层或多层。

可选地，所述功能性保护层的厚度为10nm-10μm。

可选地，所述功能性保护层的厚度上限独立地选自10μm、6μm、2μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm，下限独立地选自0.01μm、6μm、2μm、1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm。

本申请提供含有不同种类的含金属元素所构成的功能性保护层以及可选择的三维集流体，其中功能性保护层可由多种方法制得，同时将多种所述功能性保护层按种类的不同依次包覆或刷涂于三维集流体上导电网络上，且在充分干燥之后，保护层均匀且致密包覆于三维集流体的表面，获得具有功能性保护层的三维集流体。