【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池，具体涉及一种无负极锂金属电池用负极复合集流体及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着电动汽车、可再生能源等领域的快速发展，对高能量密度、高容量和长循环寿命的电池需求不断增加。目前，常见的锂离子电池采用石墨负极，虽然在过去几十年已经取得了显著进展，但其能量密度和容量已经逐渐达到瓶颈。为了进一步提升电池性能，研究人员开始探索使用锂金属作为负极材料的可能性。锂金属具有很高的理论比容量(3860mah/g)，相比传统石墨负极(372mah/g)，锂金属负极能够实现更高的能量密度和容量，从而为电池提供更长的续航能力和更持久的使用时间。
2、锂金属负极在应用中也存在一系列的问题，锂枝晶问题是锂金属电池中一个重要的挑战和限制因素。锂枝晶是指在电池的充放电过程中，由于局部电荷分布不均以及局部锂离子分布不均，导致的锂金属负极表面形成的细小锂枝状结构，锂枝晶会导致电池容量衰减、阻抗增加、安全问题等一系列严重后果。实现锂金属负极应用的另一个挑战是锂在空气中稳定性较差，容易与氧气和水分发生反应，导致其加工必须在无氧或干燥的环境下进行，增加了加工工艺的复杂性和技术要求，增加了锂金属负极的成本。而锂金属的高活泼性质也导致其作为负极极易与电池中的电解液/电解质发生界面副反应，导致li+消耗增多、sei膜增厚，引起电池容量衰减、阻抗增加。同时，为了提升电池能量密度，需要在锂金属电池中搭配超薄锂箔(厚度通常＜25μm)，但由于超薄锂箔在实际加工和电池组装过程中存在极大的困难，目前大多数针对锂金属负极的研究都采用含过量锂的厚锂
3、为了克服这些挑战，原位锂金属负极正受到越来越多的关注，这种负极取消了活性材料的使用(因此也称为“无负极”)。采用无负极锂金属电池，在电池组装过程中，直接使用负极集流体作为负极，没有活性物质，可有效提升电池的能量密度。同时，由于组装过程不存在金属锂，因此装配安全性大幅度提升。无负极锂金属电池在第一次充电过程中，锂离子从正极材料脱出，随后直接沉积在负极集流体上。
4、通过利用铜箔集流体作为负极，来直接沉积锂，锂金属在电池组装运行后在负极集流体上原位形成，对制备过程中的环境要求较低，解决了锂金属负极空气稳定性差的问题，同时通过省去锂金属或活性材料，解决了超薄锂箔的工艺难题，进一步提升了电池的能量密度。
5、然而，将常规的铜集流体直接作为负极，由于表面活性位点的不均匀以及铜的疏锂性质，导致锂在沉积过程中容易形成锂枝晶，同时直接用铜箔这类平面集流体直接进行锂的沉积也会导致严重的体积膨胀，从而损害电池性能和安全性。中国专利cn117117199a专利技术名为“一种集流体的表面修饰方法及其在无负极锂电池中的应用”，公开了一种采用化学浸泡法对集流体进行表面修饰处理的技术，亲锂性的ag使得沉积在集流体上的锂更加均匀，具有良好的抑制锂枝晶效果，但其无法解决原位锂金属负极存在的体积膨胀和界面副反应的问题。中国专利cn115275210a专利技术名为“一种无负极锂金属电池、其负极集流体及制备方法”，公开了一种在负极集流体基体表面设置还原氧化石墨烯层，其中还原氧化石墨烯层具有良好的柔韧性以缓解负极的膨胀问题，同时通过加入金属元素掺杂，引入均匀的亲锂位点，诱导锂离子扩散和均匀成核，缓解锂枝晶的形成，但石墨烯层仅能通过柔性变形缓解膨胀问题，并未实质性提供膨胀空间，且并未解决锂金属负极界面副反应的问题。
技术实现思路
1、鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种无负极锂金属电池用负极复合集流体及其制备方法和应用，其能够解决原位锂金属负极面临的锂枝晶、体积膨胀和界面副反应多的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、根据本专利技术实施例的一个方面，提供了一种无负极锂金属电池用负极复合集流体，包括负极集流体基体、三维结构骨架层、亲锂金属层和聚合物层；所述三维结构骨架层形成于所述负极集流体基体的至少一侧表面上；所述亲锂金属层形成于所述三维结构骨架层的表面；所述聚合物层形成于亲锂金属层的表面。
4、在一种可选的实施方式中，所述三维结构骨架层为碳纳米线层，通过静电纺丝工艺形成于所述负极集流体基体的至少一侧表面上。
5、在一种可选的实施方式中，所述亲锂金属层的材质包括ag、mg、au、sn和zn中的至少一种，通过磁控溅射工艺形成于所述三维结构骨架层的表面。
6、在一种可选的实施方式中，所述聚合物层的材质包括pvdf和/或paa，通过涂覆工艺形成于亲锂金属层的表面。
7、在一种可选的实施方式中，所述三维结构骨架层的厚度为20～40μm，所述亲锂金属层的厚度为0.2～0.6μm，所述聚合物层的厚度为2～16μm。三维结构骨架层的主要作用是提供锂沉积的空间，若三维结构骨架层厚度设定过大，会导致整体电芯能量密度下降；若三维结构骨架层厚度过薄则嵌锂空间不足，从而导致膨胀抑制效果变差。亲锂金属层的作用是诱导锂金属均匀沉积，若亲锂金属层设定过厚，则成本升高且亲锂金属利用率下降；若亲锂金属层设定过薄，则可能导致亲锂金属分布不均匀，且少量的金属与锂形成合金后，无法提供足够的亲锂位点，均不利于锂金属的沉积效果改善，导致锂枝晶生长等严重后果。聚合物层的作用是减少界面副反应，但聚合物本身导离子性较差，过厚的聚合物层延长了锂离子的传输路径，导致锂离子传输受阻，影响电芯的充放电性能，因此应当尽量减小聚合物层的厚度，但聚合物一般分子量较大，粘度较高，对涂覆工艺的要求较高，过薄的涂覆会导致涂覆不完全，因此应以完全覆盖为标准，在工艺允许的条件下，合理控制聚合物层的厚度。
8、根据本专利技术实施例的另一个方面，提供了一种无负极锂金属电池用负极复合集流体的制备方法，包括如下步骤：
9、s1，提供负极集流体基体；
10、s2，在所述负极集流体基体的至少一侧表面上形成三维结构骨架层；
11、s3，在所述三维结构骨架层的表面形成亲锂金属层；
12、s4，在亲锂金属层的表面形成聚合物层。
13、在一种可选的实施方式中，所述s2具体包括如下步骤：
14、s21，配制碳纳米线纺丝前驱体溶液，将聚丙烯腈加入到n,n-二甲基甲酰胺中，溶解完全；
15、s22，将碳纳米线纺丝前驱体溶液通过静电纺丝设备在负极集流体基体的至少一侧表面上进行纺丝，于负极集流体基体表面得到碳纳米线前驱体；
16、s23，在惰性气体气氛下，进行加热碳化处理，在所述负极集流体基体的至少一侧表面上形成碳纳米线层即三维结构骨架层。
17、在一种可选的实施方式中，所述s3具体包括：以亲锂金属为靶材，通过磁控溅射设备向三维结构骨架层的表面溅射亲锂金属，得到亲锂金属层。
18、在一种可选的实施方式中，所述s4具体包括：通过涂覆设备在亲锂金属层表面涂覆聚合物涂层，烘干，在亲锂金属层的表面形成聚合物层。
19、根据本专利技术实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述三维结构骨架层为碳纳米线层，通过静电纺丝工艺形成于所述负极集流体基体的至少一侧表面上。
3.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述亲锂金属层的材质包括Ag、Mg、Au、Sn和Zn中的至少一种，通过磁控溅射工艺形成于所述三维结构骨架层的表面。
4.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述聚合物层的材质包括PVDF和/或PAA，通过涂覆工艺形成于亲锂金属层的表面。
5.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述三维结构骨架层的厚度为20~40μm，所述亲锂金属层的厚度为0.2~0.6μm，所述聚合物层的厚度为2~16μm。
6.一种无负极锂金属电池用负极复合集流体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体的制备方法，其特征在于，所述S2具
8.根据权利要求6所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体的制备方法，其特征在于，所述S3具体包括：以亲锂金属为靶材，通过磁控溅射设备向三维结构骨架层的表面溅射亲锂金属，得到亲锂金属层。
9.根据权利要求6所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体的制备方法，其特征在于，所述S4具体包括：通过涂覆设备在亲锂金属层表面涂覆聚合物涂层，烘干，在亲锂金属层的表面形成聚合物层。
10.权利要求1~5任一项所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体或权利要求6~9任一项所述制备方法制得的无负极锂金属电池用负极复合集流体在无负极锂金属电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述三维结构骨架层为碳纳米线层，通过静电纺丝工艺形成于所述负极集流体基体的至少一侧表面上。
3.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述亲锂金属层的材质包括ag、mg、au、sn和zn中的至少一种，通过磁控溅射工艺形成于所述三维结构骨架层的表面。
4.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述聚合物层的材质包括pvdf和/或paa，通过涂覆工艺形成于亲锂金属层的表面。
5.根据权利要求1所述的无负极锂金属电池用负极复合集流体，其特征在于：所述三维结构骨架层的厚度为20~40μm，所述亲锂金属层的厚度为0.2~0.6μm，所述聚合物层的厚度为2~1...
【专利技术属性】
技术研发人员：颜凯，郑豪，牟丽莎，吴振豪，
申请(专利权)人：深蓝汽车科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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