硒化铜原位包覆泡沫铜作为锂金属载体的锂金属基电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硒化铜原位包覆泡沫铜作为锂金属载体的锂金属基电池及其制备方法，具体步骤包括：(1)将二氧化硒在水溶液中溶解；(2)纯化后的泡沫铜浸入溶液中；(3)将浸泡后的改性泡沫铜放入真空干燥箱中干燥；(4)对改性后得到的硒化铜原位包覆的泡沫铜集流体进行锂金属负载以及电化学性能表征。本发明专利技术采用液相硒化对价格低廉的泡沫铜进行表面亲锂改性，并与锂金属进行复合，利用泡沫铜自身的化学组成、多维穿插结构和良好的电导率及表面层的亲锂性，来达到容纳并均匀锂形核，抑制锂枝晶生长，最终提高锂金属负极的库伦效率和循环性能的目的。该方法具有生产周期短，工艺简单，生产成本低，循环稳定性高的优点。循环稳定性高的优点。循环稳定性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
硒化铜原位包覆泡沫铜作为锂金属载体的锂金属基电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种硒化铜原位包覆泡沫铜作为锂金属载体的锂金属基电池的制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池在智能便携式电子产品和电动汽车上应用广泛目前石墨类材料是主流的商业化锂电池负极材料，但其理论容量较低，无法满足人们对高能量密度，高功率密度充电电池的需求。金属锂(Li)负极具有超高的理论比容量(3860mA h g-1
)、极低的氧化还原电势(-3.04V vs.SHE)和低密度(0.53g cm-3
)等特点，被认为最有可能取代石墨的负极材料。然而，锂金属在作为可充电阳极的实际应用中还面临着严峻挑战。首先是电池在反复充/放电过程中，形成的Li枝晶将导致低库仑效率和内部短路，从而产生安全隐患甚至电池爆炸。此外，金属锂阳极在循环过程中会产生较大体积膨胀问题，从而使固体电解质界面(SEI)膜发生破裂，裸露在外的金属锂又与电解液发生反应并反复形成SEI膜，最终导致电池循环寿命变短。因安全隐患和短循环寿命原因使得金属锂电池(LMBs)的商业应用受到了阻碍。
[0003]近年来，针对Li枝晶造成的阴阳极短路和电池寿命问题，研究者对其进行了广泛研究，以提升LMBs的安全性和电化学性能。如采用固态电解质和电解质添加剂等手段，来获得高弹性高稳定性的SEI膜。尽管如此，Li枝晶仍会在SEI膜底部继续生长，造成电池系统循环性能差、库伦效率低、安全隐患等问题。因此，在Li电镀/剥离过程(即充电/放电过程)中抑制金属Li枝晶的生长是十分关键的，这成为亟待了解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种硒化铜原位包覆泡沫铜作为锂金属载体的锂金属基电池及其制备方法，将泡沫铜被硒化铜均匀包裹，由泡沫铜为Li提供充足的容纳空间，同时具有硒化铜“亲锂”物质的这种多孔材料诱导金属Li的分布，从而制备的锂金属电池能有效抑制Li枝晶生长并获得优秀的电化学性能。
[0005]为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下专利技术构思：
[0006]本专利技术使用具有多孔导电结构和“亲锂”元素来抑制Li枝晶生长。多孔结构的宿主材料能提供大的比表面积可降低局部电流密度，材料的孔隙能提供充足的Li容纳空间。此外，具有“亲锂”物质的多孔材料能诱导金属Li的均匀沉积形核，降低金属Li沉积的过电位，从而有效抑制金属Li枝晶生长和无限体积膨胀，进一步提高金属Li电池的安全性和电化学性能。本专利技术在硒化铜原位包覆泡沫铜中，泡沫铜被硒化铜均匀包裹，没有出现裸Cu表面。本专利技术采用液相硒化对价格低廉的泡沫铜进行表面亲锂改性，并与锂金属进行复合，利用泡沫铜自身的化学组成、多维穿插结构和良好的电导率及表面层的亲锂性，来达到容纳并
均匀锂形核，抑制锂枝晶生长，最终提高锂金属负极的库伦效率和循环性能的目的。
[0007]为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种硒化铜原位包覆泡沫铜作为锂金属载体的锂金属基电池的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)合成硒酸混合溶液：
[0010]将2～5质量份的氯铂酸，80～100质量份的蒸馏水加入到烧杯中，搅拌均匀，将二氧化硒在水溶液中溶解，得到硒酸混合溶液，备用；
[0011](2)制备硒化铜原位包覆泡沫铜集流体：
[0012](2-1)将泡沫铜网进行纯化预处理，步骤如下：
[0013](2-1-1)首先将泡沫铜网使用稀盐酸进行酸洗处理，采用质量百分比浓度为3～5％的稀盐酸，控制温度为20～30℃，酸洗时间为5～10min；
[0014](2-1-2)然后用酒精辅以超声振动对泡沫铜网清洗2～3次，每次10～15min，以清洗其表面的氧化物及油污，再将泡沫铜网放入真空干燥箱中进行干燥，真空干燥温度为60～80℃，干燥时间为5～8h，得到纯化后的泡沫铜网；
[0015](2-2)泡沫铜网加工：
[0016]再使用切片机将纯化后的泡沫铜网裁剪成为直径不小于12mm的圆片，用酒精在超声振动清洗至少10min后，得到圆片形式的泡沫铜网，备用；
[0017](2-3)硒化铜原位包覆泡沫铜集流体制备：
[0018]采用液相硒化泡沫铜进行表面亲锂改性，将在所述步骤(2-2)加工的圆片形式的泡沫铜网放入在所述步骤(1)中制备的硒酸混合溶液中进行浸泡，取出后直接经真空干燥，得到圆形泡沫铜网，作为硒化铜原位包覆泡沫铜的集流体，备用；
[0019](3)制备硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属电极：
[0020]在氩气气氛的手套箱中，将在所述步骤(2)中备用的泡沫铜网与相同直径的单质金属锂片叠在一起，金属锂片的纯度不低于99％，厚度不低于500μm，使用压片机施加10～30MPa的压力，直到泡沫铜网完全嵌入到金属锂片中，将泡沫铜网和金属锂片两者压合在一起，得到硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，备用；
[0021](4)组装锂电池：
[0022]采用在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，组装对称电池、半电池和全电池中的任意一种锂电池如下：
[0023](4-1)组装对称电池：
[0024]对称电池其两边的电极片均为在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，对称电池其两边的电极片由在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极和金属锂片电极；
[0025](4-2)组装半电池：
[0026]半电池的正极使用在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，负极使用金属锂片电极；
[0027](4-3)组装全电池：
[0028]全电池的正极使用钴酸锂电极或涂覆LiFePO4(LFP)的铝箔集流体复合电极，负极使用在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极；
[0029]上述三种锂电池均在手套箱中组装成扣式电池，手套箱内为氩气气氛，水氧值均不高于0.1ppm；其中对称电池和全电池的电解液为1mol的LiPF6溶于1L的EC:DEC混合溶液的电解液，所述EC:DEC混合溶液的电解液中EC和DEC的体积比为1:2，并含有质量百分比为10％的FEC添加剂；半电池使用的电解液为1mol的LiTFSI溶于1L的DOL:DME混合溶液的电解液，所述DOL:DME混合溶液的电解液中DOL和DME的体积比1:1，并含有质量百分比为2％的LiNO3添加剂。
[0030]优选地，在所述步骤(4)中，涂覆LiFePO4(LFP)的铝箔集流体复合电极的制备方法包括以下步骤：
[0031]a.将磷酸铁锂粉末、聚偏二氟乙烯(PVDF)和Super-P以8：1：1的重量比进行混合，制作成磷酸铁锂浆料，将搅拌均匀磷酸铁锂浆料使用涂布机涂覆在铝箔集流体表面上，涂覆磷酸铁锂浆料的平均覆载质量不低于7mg
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硒化铜原位包覆泡沫铜作为锂金属载体的锂金属基电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)合成硒酸混合溶液：将2～5质量份的氯铂酸，80～100质量份的蒸馏水加入到烧杯中，搅拌均匀，将二氧化硒在水溶液中溶解，得到硒酸混合溶液，备用；(2)制备硒化铜原位包覆泡沫铜集流体：(2-1)将泡沫铜网进行纯化预处理，步骤如下：(2-1-1)首先将泡沫铜网使用稀盐酸进行酸洗处理，采用质量百分比浓度为3～5％的稀盐酸，控制温度为20～30℃，酸洗时间为5～10min；(2-1-2)然后用酒精辅以超声振动对泡沫铜网清洗2～3次，每次10～15min，以清洗其表面的氧化物及油污，再将泡沫铜网放入真空干燥箱中进行干燥，真空干燥温度为60～80℃，干燥时间为5～8h，得到纯化后的泡沫铜网；(2-2)泡沫铜网加工：再使用切片机将纯化后的泡沫铜网裁剪成为直径不小于12mm的圆片，用酒精在超声振动清洗至少10min后，得到圆片形式的泡沫铜网，备用；(2-3)硒化铜原位包覆泡沫铜集流体制备：采用液相硒化泡沫铜进行表面亲锂改性，将在所述步骤(2-2)加工的圆片形式的泡沫铜网放入在所述步骤(1)中制备的硒酸混合溶液中进行浸泡，取出后直接经真空干燥，得到圆形泡沫铜网，作为硒化铜原位包覆泡沫铜的集流体，备用；(3)制备硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属电极：在氩气气氛的手套箱中，将在所述步骤(2)中备用的泡沫铜网与相同直径的单质金属锂片叠在一起，金属锂片的纯度不低于99％，厚度不低于500μm，使用压片机施加10～30MPa的压力，直到泡沫铜网完全嵌入到金属锂片中，将泡沫铜网和金属锂片两者压合在一起，得到硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，备用；(4)组装锂电池：采用在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，组装对称电池、半电池和全电池中的任意一种锂电池如下：(4-1)组装对称电池：对称电池其两边的电极片均为在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，对称电池其两边的电极片由在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极和金属锂片电极；(4-2)组装半电池：半电池的正极使用在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极，负极使用金属锂片电极；(4-3)组装全电池：全电池的正极使用钴酸锂电极或涂覆LiFePO4(LFP)的铝箔集流体复合电极，负极使用在所述步骤(3)中制备的硒化铜原位包覆泡沫铜/锂金属复合电极；上述三种锂电池均在手套箱中组装成扣式电池，手套箱内为氩气气氛，水氧值均不高于0.1ppm；其中对称电池和全电池的电解液为1mol的LiPF6溶于1L的EC:...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅倩茹，邵勤思，颜蔚，王健宜，陈春华，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：