一种三维自支撑集流体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂电池技术领域，公开了一种三维自支撑集流体及其制备方法和应用，所述三维自支撑集流体由亲锂性金属氧化物材料和导电材料经湿法纺丝技术制备而成。本发明专利技术集流体的制备方法简单可控，易于规模化生产，通过调控湿法纺丝条件，可调控复合纤维膜的纤维直径、比表面积、孔隙率等；且制备得到的集流体具有高的比表面积和丰富的储锂空间，且具有良好的亲锂能力和导电性能，可有效降低局部电流密度，实现锂的均匀沉积并缓解锂枝晶生长，有利于提高锂金属电池稳定性和安全性。于提高锂金属电池稳定性和安全性。于提高锂金属电池稳定性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种三维自支撑集流体及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂电池
，特别是涉及一种三维自支撑集流体及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]便携式电子产品、电动汽车、智能电网的广泛应用和快速发展推动了储能需求的持续增大。金属锂具有超高的理论比容量(3860mAh g
‑1)、低电化学电位(
‑
3.04V，相对于标准氢电极)和较低的密度(0.534g/cm3)，被认为是下一代高能量密度电池最有前景的负极材料。但是，锂金属电池仍面临着不可控的枝晶生长，从而导致隔膜被刺穿并造成电池短路的风险；此外，金属锂固有的低氧化还原电位导致其很容易与电解质发生反应，这些不可逆的反应过程增加了负极锂的消耗，导致电池阻抗增加、容量降低、库仑效率降低以及循环寿命变短，从而严重阻碍了锂金属电池的商业化应用。
[0003]为解决锂金属电池枝晶生长的问题，现阶段已经提出了许多策略来抑制锂枝晶的形成，如人工固体电解质界面膜(SEI膜)的构筑，多孔隔膜的优化，液态电解质的调控和固态电解质的设计等。但是这些策略也面临着离子电导率差、界面相容性差、成本高、制备工艺复杂等问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种三维自支撑集流体的制备方法，以解决现有锂金属电池枝晶生长的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种三维自支撑集流体的制备方法，所述三维自支撑集流体由亲锂性金属氧化物材料和导电材料经湿法纺丝技术制备而成。
[0007]本专利技术中具有良好导电能力的导电材料有利于电子传输，亲锂性金属氧化物材料的引入和三维结构的设计保证了锂的均匀沉积，可缓解锂枝晶的生长。
[0008]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，所述亲锂性金属氧化物材料包括V2O5、TiO2、MoO3中的任意一种或几种。
[0009]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，所述导电材料包括氧化石墨烯、碳纳米管、MXene中的任意一种或几种。
[0010]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，所述湿法纺丝技术包括以下步骤:
[0011](1)金属氧化物凝胶的制备：将亲锂性金属氧化物材料加入溶剂中，水浴搅拌，得到金属氧化物凝胶；
[0012](2)复合纤维的制备：将导电材料加入所述金属氧化物凝胶后混合均匀得到混合凝胶，然后将所述混合凝胶注入Co(NO3)2水溶液的凝固浴中，得到复合纤维；
[0013](3)复合纤维膜的制备：将所述复合纤维经真空抽滤、烘干、还原，得到复合纤维
膜，即三维自支撑集流体。
[0014]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，步骤(1)中所述溶剂为过氧化氢与去离子水的混合溶液；
[0015]和/或所述过氧化氢与所述去离子水的体积比为1:(3
‑
10)；
[0016]和/或所述过氧化氢的质量百分浓度为20
‑
40％。
[0017]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，步骤(1)中所述水浴搅拌为在50
‑
75℃水浴中搅拌10
‑
15h。
[0018]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，步骤(2)中所述导电材料与所述金属氧化物凝胶的质量比为1:(0.8
‑
1.2)。
[0019]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，步骤(2)中所述Co(NO3)2水溶液的质量百分浓度为2
‑
8％。
[0020]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，步骤(2)中所述搅拌混合的转速为10
‑
100rpm。
[0021]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，步骤(3)中所述烘干温度为50
‑
80℃。
[0022]优选的，在上述三维自支撑集流体的制备方法中，所述还原是将烘干后的复合纤维在还原剂氛围中于80
‑
95℃还原1
‑
3h。
[0023]本专利技术还公开了一种三维自支撑集流体，由上述方法制备得到。
[0024]另外，本专利技术还公开了一种锂金属电极，包括上述方法制备得到的三维自支撑集流体，和/或上述的三维自支撑集流体；
[0025]所述锂金属电极是在恒流放电过程中将锂沉积在所述三维自支撑集流体上得到。
[0026]以及本专利技术公开了一种锂金属电池，包括上述锂金属电极。
[0027]本专利技术提供了一种三维自支撑集流体的制备方法，与现有技术相比，其有益效果在于：
[0028](1)本专利技术集流体的制备方法简单可控，易于规模化生产，通过调控湿法纺丝条件，可调控复合纤维膜的纤维直径、比表面积、孔隙率等；
[0029](2)本专利技术的集流体具有高的比表面积和丰富的储锂空间，且具有良好的亲锂能力和导电性能，可有效降低局部电流密度，实现锂的均匀沉积并缓解锂枝晶生长，有利于提高锂金属电池稳定性和安全性；
[0030](3)本专利技术在锂金属电极的制备过程中，通过电沉积可定量的控制负极锂的含量，节约锂金属的使用，提高锂的利用率，实现高能量密度锂金属电池的设计。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术实施例三维自支撑集流体的制备流程示意图；
[0033]图2为本专利技术实施例V2O5·
nH2O凝胶和V2O5/RGO复合纤维膜的扫描电镜图；
[0034]图3为锂箔和V2O5/RGO复合纤维膜的锂沉积过程示意图；
[0035]图4为锂箔和Li
‑
V2O5/RGO对称电池的循环性能测试图。
具体实施方式
[0036]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0037]本专利技术通过简单可控的方法设计了一种具有三维结构的自支撑集流体，能在锂金属电池中缓解锂枝晶的生长。该三维结构的集流体由亲锂性金属氧化物材料和导电材料的复合纤维构成，具有高比表面积和大量的内部空间。其中具有良好电导率的导电材料有利于电子传输，同时亲锂性金属氧化物材料降低了锂的成核电位，保证锂的均匀沉积；此外，由复合纤维交错形成的三维结构为锂的存储提供了足够的空间，在锂沉积过程中，锂可沉积在纤维结构之间，从而缓解枝晶的生长。相比于现有缓解枝晶生长的方法，本专利技术方法设计简单，结构可控，同时能抑制锂枝晶的生长，并可定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维自支撑集流体的制备方法，其特征在于，所述三维自支撑集流体由亲锂性金属氧化物材料和导电材料经湿法纺丝技术制备而成。2.根据权利要求1所述的三维自支撑集流体的制备方法，其特征在于，所述亲锂性金属氧化物材料包括V2O5、TiO2、MoO3中的任意一种或几种。3.根据权利要求1所述的三维自支撑集流体的制备方法，其特征在于，所述导电材料包括氧化石墨烯、碳纳米管、MXene中的任意一种或几种。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的三维自支撑集流体的制备方法，其特征在于，所述湿法纺丝技术包括以下步骤:(1)金属氧化物凝胶的制备：将亲锂性金属氧化物材料加入溶剂中，水浴搅拌，得到金属氧化物凝胶；(2)复合纤维的制备：将导电材料加入所述金属氧化物凝胶后混合均匀得到混合凝胶，然后将所述混合凝胶注入Co(NO3)2水溶液的凝固浴中，得到复合纤维；(3)复合纤维膜的制备：将所述复合纤维经真空抽滤、烘干、还原，得到复合纤维膜，即三维自支撑集流体。5.根据权利要求4所述的三维自支撑集流体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述溶剂为过氧化氢与去离子水的混合溶液；和/或所述过氧化氢与所述去离子水的体积比为1:(3
‑
10)；和/或所述过氧化氢的质量百分浓度为20
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯龙威，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：