[发明专利]体相重构的金属箔负极及其制备和应用

说明书

本发明属于电池材料领域，具体公开了一种金属箔负极体相重构的方法，将金属箔在等离子体辅助下热处理，制得体相重构的金属箔负极；所述的金属箔的金属元素包括Cu，Sn，Al，Zn，Mg，Ca中的至少一种；所述的热处理的温度为≥0.65T，1T，所述的T为金属箔的熔点温度；热处理阶段的气氛包含CHsubgt;4/subgt;、Osubgt;2/subgt;、Nsubgt;2/subgt;、NHsubgt;3/subgt;、CO、COsubgt;2/subgt;、Hsubgt;2/subgt;中的至少一种的功能气。本发明还包括所述的制备方法制得的材料及其在电池中的应用。本发明所述的工艺能够实现金属箔的体相改性，可改善制得的材料的性能。

技术领域

本发明电池材料领域，具体涉及金属箔负极改性技术领域。

背景技术

为了避免传统化石资源的过度消耗引发的能源和环境危机，急需来自太阳能、风能、生物质、瀑布、地热等的可再生清洁能源供应。然而由于时空和地理条件的限制，从这些来源产生的电能通常是间歇性的，需要高效稳定的储能系统将其存储用于电网应用。相比于传统机械储能系统(抽水蓄能、重力储能和压缩空气储能系统等)，电化学储能具有装配灵活不受地形和气候制约、能量密度高、功率大、响应迅速等优点，可以满足从可穿戴/便携式电子设备到大规模固定储能系统等广泛储能应用的未来需求。

研究发现水系金属离子电池可完全满足大规模储能系统的要求。由于使用含水电解液不可燃的特点，并且在水系电解液的离子传输速度更快于有机电解液，水系金属离子电池迅速成为大规模储能系统的研究热点。虽然目前已有大量致力于开发高性能水系金属离子电池的相关研究工作，但是距离实现水系金属离子电池的商业化应用还十分遥远，依旧存在一些重要的科学问题需要解决。金属负极表面不均匀的沉积与剥离导致的枝晶会直接诱导电池内部短路，从而导致电池失效。此外，金属负极在第一个剥离步骤中，表面的不均匀溶解会导致空洞或裂缝的形成。由于局部高活性的内表面暴露，在这种不均匀的表面上加剧了不可控的枝晶生长和副反应。目前，金属负极的主要优化策略是传统的表面改性，使电场和离子场均匀化，如构建电子导向层和离子导向层。由于在固液转换过程中体积的巨大变化和不可逆的锌损失，保护层和锌表面之间形成的空隙是不可避免的。因此，保护层在反复剥离后会与表面发生分裂和分离，导致保护层对负极的保护作用丧失。由于锂离子电池嵌入式电极的工作机制是固-固转换的插入/脱嵌过程，在电极表面构建固体电解质间相可以有效改善锂离子电池的可逆性。然而，由于在反复剥离/沉积过程中不可避免的固-液分离，在金属表面引入界面层可能不适合持久保护负极。此外，由于水电解质中存在极化和弱腐蚀，在沉积/剥离反应中库仑效率总是低于100％，这导致每次剥离过程后形成一个“新鲜”的表面。深度剥离后，由于表面严重受损，无保护层的新鲜表面无法阻碍枝晶生长和副反应。因此，仅优化表面应该不足以在长期循环中为金属负极提供持久保护。有必要通过体相改性策略，在负极内部/表面上建立对枝晶和副反应有强大抵抗力的表面。

发明内容

针对金属箔负极电化学性能不理想的问题，本发明第一目的在于，提供一种金属箔负极体相重构的方法，旨在制备得到一种具有优异电化学性能的金属箔负极。

本发明第二目的在于，提供所述的方法制得的体相重构的金属箔负极及其在金属电池中的应用。

本发明第三目的在于，提供包含所述体相重构的金属箔负极的电池。

反复剥离固液转变所致的表面破坏是导致枝晶生长和副反应，影响金属箔负极电化学性能的主要问题。针对该行业性问题，行业内提供了一些金属箔的改进思路，但主要停留在金属箔表面处理层面，如此仍难于适配负极的使用需求，无法抵挡负极反复循环所致的界面破坏情况。针对该行业性问题，本发明在行业内首次提出一种体相重构的思路，然而，研究早期发现，不恰当的体相重构工艺，不仅难于构建合适的体相位点以及界面适配性，还容易破坏金属箔原本结构，影响负极性能。基于此，本发明提供以下改进方案：

一种金属箔负极体相重构的方法，将金属箔在等离子体辅助下热处理，制得体相重构的金属箔负极；