一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法技术

本发明专利技术属于锂金属电池技术领域，具体公开了一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法。包括步骤：S1、基片的预处理；S2、将缓冲层和催化剂层添加到步骤S1处理好的基片上；S3、在步骤S2的基片上生长垂直定向多壁碳纳米管阵列；S4、利用步骤S3长有垂直定向多壁碳纳米管阵列的样品作为工作电极组装电化学电池；S5、采用分步间歇电镀方法，使用步骤S4组装的电池在工作电极上进行电化学镀锂。本发明专利技术单步电镀时长，电镀电流密度，总电镀时长，单步间歇时长均可调控，可实现与CNTs为同轴结构的金属均匀沉积，增强VA

【技术实现步骤摘要】
一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法


[0001]本专利技术属于锂金属电池
，具体公开了一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法。

技术介绍

[0002]随着不可再生的化石能源储量不断減少，人们对于环境污染问题的认知深入以及新能源的开发和生态文明建设的发展，在新发展阶段，发展现代储能系统的能量存储和转化仍然是重要任务。对于包括大阳能、风能等可再生新能源来说，克服其能量来源的间歇性和不稳定性的方法，是将这些能量转化为便于存储和利用的电能，以缓解能源短缺和环境污染等危机问题。
[0003]自1991年Sony发布使用石墨代替锂金属作为负极的商用锂离子电池以来，几乎所有的商用锂离子电池都采用不同形式的碳材料作为负极材料。锂离子电池也因其工作电压高、循环性能优良、质量比能量大、无记忆效应等优点，越来越广泛应用于便携式电子设备等领城。
[0004]锂金属具有低密度0.534g
·
cm
‑3，高理论比容量3860mAh
·
g
‑1，Li/Li
+
的标准电势最低(
‑
3.04V vs SHE)。在锂金属的反复沉积/剥离过程中所产生的锂枝晶和库伦效率有限等问题阻碍了锂电池的大规模应用，但锂金属的理论容量是石墨的十倍，因此近年来，采用锂金属作为可充放电锂电池的负极又成为了现今能源领域的科学研究重点。然而，可充放电电池中锂金属负极存在一些影响电池循环稳定性、安全性的问题，如锂枝晶生长、体积变化大等。<br/>[0005]VA
‑
MWCNTs作为锂离子电池、锂氧电池、锂硫电池等锂基电池电极材料多有研究，其多孔结构为电极
‑
电解质界面接触提供了大表面积，本身的导电性和平行管间通道增强了电子和离子传导，定向结构减少了活性材料在表面的团聚，这些优点同样适用于解决锂金属负极上枝晶生长、体积变化等问题。但在反复的镀锂/脱锂过程中，VA
‑
MWCNTs的定向结构会遭到破坏，使得局部电流密度增大，电压极化，导致库伦效率降低。

技术实现思路

[0006]针对目前现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法，预镀在VA
‑
MWCNTs表面上的金属锂能很好地维持VA
‑
MWCNTs的垂直定向特征形貌。
[0007]与现有的电化学镀锂方法相比，本专利技术创造性的使用分步间歇电化学电镀方法，设置单步间歇步骤与单步电镀步骤电流密度与时长，对工作电极为垂直定向多壁碳纳米管阵列的电化学电池体系进行电化学镀锂，最终得到了能够维持稳定垂直定向特征且碳纳米管表面覆盖有均匀金属锂的垂直定向多壁碳纳米管电极片。
[0008]本专利技术的首要目的在于提供一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法。
[0009]本专利技术通过以下技术方案实现上述目的：
[0010]一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法，包括以下步骤：
[0011]S1、基片的预处理；
[0012]S2、将缓冲层和催化剂层添加到步骤S1处理好的基片上；
[0013]S3、在步骤S2中的基片上生长垂直定向多壁碳纳米管阵列；
[0014]S4、利用步骤S3长有垂直定向多壁碳纳米管阵列的样品作为工作电极组装电化学电池；
[0015]S5、采用分步间歇电镀方法，使用步骤S4组装的电池在工作电极上进行电化学镀锂。
[0016]与现有的电镀技术相比，本专利技术在单步电镀过程中，碳纳米管管间还原部分薄层电解液中的锂离子，在间歇步骤中，体电解液向碳纳米管管壁表面薄层电解液提供新的活性物质。多次间歇循环电镀缩小了碳纳米管管壁与薄层电解液界面处的离子浓度梯度。本专利技术可通过改变单步电镀与单步间歇时长，单步电镀电流密度，循环次数来达到控制金属锂在碳纳米管表面沉积厚度及均匀性的效果，且在减少锂晶枝生长等方面具有更多的可能性和潜力。整个制备工艺成本较低，流程简单。
[0017]优选地，步骤S1所述基片为具有水稳定性，热稳定性和良好导电性的基底，包括铜片，钛片，预处理为用无水乙醇、去离子水超声清洗。
[0018]优选地，步骤S2所述缓冲层为钛缓冲层，厚度为50nm
‑
300nm，催化剂为铁、钴、镍中的一种，厚度为5nm
‑
20nm。
[0019]优选地，步骤S2所述缓冲层和催化剂层使用电子束蒸镀或者磁控溅射方法制备。
[0020]优选地，步骤S3所述垂直定向多壁碳纳米管的长度为0.5μm
‑
4μm，生长方法为热化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法。
[0021]优选地，步骤S4所述电化学电池包括含锂离子电解液的三电极电化学电池，对电极是锂金属的含锂离子电解液的双电极电化学电池。
[0022]优选地，步骤S5采用电化学工作站多电流步骤程序设置分步间歇电镀中单步间歇步骤和单步电镀步骤的电流密度大小，时长与循环次数。
[0023]优选地，步骤S5所述分步间歇电镀方法中间歇步骤电流密度为0mA
·
cm
‑2，单步间歇时长为1
‑
300s，电镀步骤电流密度为2
‑
200mA
·
cm
‑2，单步电镀时长为1
‑
50s，循环次数为10
‑
200次。
[0024]本专利技术预镀在VA
‑
MWCNTs表面上的金属锂薄膜很好地维持了VA
‑
MWCNTs的垂直定向特征形貌，而稳定的垂直定向结构能够提供大的镀锂/脱锂表面积、增强管间电子和离子轴向传导、减少锂枝晶、缓解锂金属体积膨胀，实现电极结构稳定性和循环性能的提升，这在促进锂的可逆电镀/剥离方面起到关键作用。
[0025]本专利技术还提供了上述方法制备得到的VA
‑
MWCNTs@Li在制备锂基电池电极材料中的应用。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0027]相比较于连续电镀，分步间歇电化学镀锂方法更有利于锂金属在VA
‑
MWCNTs的表面均匀沉积，有效的减少了锂金属团聚。VA
‑
MWCNTs表面锂金属的沉积可通过调节分步间歇电镀过程中的分布电镀步骤数(单步电镀时长)、电镀电流密度、总电镀时长、单步间歇时长
这四个条件优化，特定的分步间歇电镀参数可实现呈薄膜形态、与VA
‑
MWCNTs为同轴结构的金属锂沉积。VA
‑
MWCNTs具有良好的电化学镀锂能力，金属锂薄膜增强了VA
‑
MWCNTs的强度和稳定性，有利于维持VA
‑
MWCNTs在电解液中的垂直定向形貌特征，提高锂离子电池循环稳定性。
附图说明
[0028]图1是本专利技术工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基片的预处理；S2、将缓冲层和催化剂层添加到步骤S1处理好的基片上；S3、在步骤S2中的基片上生长垂直定向多壁碳纳米管阵列；S4、利用步骤S3长有垂直定向多壁碳纳米管阵列的样品作为工作电极组装电化学电池；S5、采用分步间歇电镀方法，使用步骤S4组装的电池在工作电极上进行电化学镀锂。2.根据权利要求1所述的一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法，其特征在于，步骤S1所述基片为具有水稳定性，热稳定性和良好导电性的基底，包括铜片，钛片，预处理为用无水乙醇、去离子水超声清洗。3.根据权利要求1所述的一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法，其特征在于，步骤S2所述缓冲层为钛缓冲层，厚度为50nm
‑
300nm，催化剂为铁、钴、镍中的一种，厚度为5nm
‑
20nm。4.根据权利要求1所述的一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法，其特征在于，步骤S2所述缓冲层和催化剂层使用电子束蒸镀或者磁控溅射方法制备。5.根据权利要求1所述的一种基于垂直定向多壁碳纳米管阵列的分步间歇镀锂的方法，其特征在于，步骤S3所述垂直定向多壁碳纳米管的长度为0.5μm...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃泽尔，
申请(专利权)人：肇庆市华师大光电产业研究院，
类型：发明
国别省市：