本申請(qǐng)涉及電化學(xué)裝置的，特別是涉及一種多孔復(fù)合集流體及其制備方法和無(wú)負(fù)極堿金屬電池。

背景技術(shù)：

1、堿金屬電池是以堿金屬離子為電荷載體，在正負(fù)極之間進(jìn)行可逆地嵌入和脫出，從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放的電化學(xué)裝置，主要有鋰電池、鈉電池和鉀電池等類(lèi)型。在堿金屬電池中，無(wú)負(fù)極電池是指只采用集流體作為活性離子沉積載體的電池體系，其沒(méi)有添加石墨、硬碳等負(fù)極活性材料來(lái)充當(dāng)堿金屬離子的宿主，可以起到節(jié)省負(fù)極活性材料、電芯質(zhì)量和電池空間的效果，并最大化地提升電池的能量密度。

2、但是，在無(wú)負(fù)極電池的充放電過(guò)程中，堿金屬離子將直接沉積于集流體上，不均勻地電場(chǎng)分布和較大的成核勢(shì)壘會(huì)促使堿金屬離子的無(wú)序分布，導(dǎo)致堿金屬枝晶的形成，而堿金屬枝晶引發(fā)的尖端效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步促使堿金屬沿遠(yuǎn)離集流體的方向生長(zhǎng)，嚴(yán)重?fù)p害了無(wú)負(fù)極堿金屬電池的電化學(xué)性能和安全性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要提供一種多孔復(fù)合集流體及其制備方法和無(wú)負(fù)極堿金屬電池，以解決無(wú)負(fù)極堿金屬電池在充放電過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)嚴(yán)重的問(wèn)題。

2、本申請(qǐng)的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的：

3、本申請(qǐng)第一方面，提供一種多孔復(fù)合集流體，包括依次層疊的增韌聚合物層、功能性金屬層以及多孔導(dǎo)電層；

4、所述增韌聚合物層包括聚合物以及分散于所述聚合物中的無(wú)機(jī)納米填料；

5、所述功能性金屬層包括金、銀、鉑、鋅、錫、銻、鉍和鎂中的一種或多種；

6、所述多孔導(dǎo)電層具有多個(gè)垂直于所述功能性金屬層的孔。

7、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述多孔導(dǎo)電層包括銅和鎳中的一種或多種；和/或，

8、所述多孔導(dǎo)電層中的孔的形狀包括圓形、正方形、菱形、正三角形、沙漏形和不規(guī)則形狀中的一種或多種；

9、所述多孔導(dǎo)電層中的孔的孔徑為0.5μm~5μm；和/或，

10、所述多孔導(dǎo)電層中的孔之間的距離為200nm~800nm；和/或，

11、所述多孔導(dǎo)電層的孔隙率為40%~75%。

12、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述聚合物和所述無(wú)機(jī)納米填料的質(zhì)量比為100:(5~50)；和/或，

13、所述聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯中的一種或多種；和/或，

14、所述無(wú)機(jī)納米填料包括層狀雙氫氧化物、二氧化硅、碳酸鈣、蒙脫土、石墨烯和碳納米管中的一種或多種；和/或，

15、所述無(wú)機(jī)納米填料的粒徑為40nm~500nm。

16、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述增韌聚合物層的厚度為2μm~10μm；和/或，

17、所述功能性金屬層的厚度為10nm~200nm；和/或，

18、所述多孔導(dǎo)電層的厚度為0.5μm~6μm。

19、本申請(qǐng)第二方面，提供一種如上所述的多孔復(fù)合集流體的制備方法，包括以下步驟：

20、將聚合物和無(wú)機(jī)納米填料進(jìn)行熔融共混處理和成型處理，形成增韌聚合物層；

21、通過(guò)磁控濺射法，在所述增韌聚合物層之上形成功能性金屬層；

22、通過(guò)電子束光刻法，在所述功能性金屬層之上形成多孔導(dǎo)電層。

23、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述熔融共混處理的條件包括：溫度為160℃~350℃，時(shí)間為0.5h~4h；和/或，

24、所述成型處理的方法包括模壓成型法、熱壓成型法、熱壓罐成型法和壓延成型法中的一種或多種；和/或，

25、所述磁控濺射法的條件包括：濺射氣氛為惰性氣體，濺射氣壓為0.2pa~10pa，濺射功率為40w~80w。

26、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電子束光刻法包括以下步驟：

27、在所述功能性金屬層之上依次形成光刻膠層和第一導(dǎo)電層；

28、通過(guò)電子束感光處理，使所述光刻膠層形成感光區(qū)和非感光區(qū)；

29、去除所述第一導(dǎo)電層，并通過(guò)顯影處理去除所述感光區(qū)，以暴露出所述感光區(qū)之下的功能性金屬層；

30、在所述功能性金屬層之上以及在所述非感光區(qū)之上形成第二導(dǎo)電層；

31、去除所述非感光區(qū)以及所述非感光區(qū)之上的第二導(dǎo)電層，以使所述功能性金屬層之上的第二導(dǎo)電層形成所述多孔導(dǎo)電層。

32、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述光刻膠層的形成方法包括旋涂法；和/或，

33、所述第一導(dǎo)電層的形成方法包括蒸鍍法；和/或，

34、所述第二導(dǎo)電層的形成方法包括磁控濺射法。

35、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一導(dǎo)電層包括鉻，所述第一導(dǎo)電層的去除方法包括以下步驟：

36、利用含有硝酸鈰銨和高氯酸的混合液對(duì)所述第一導(dǎo)電層進(jìn)行刻蝕處理。

37、本申請(qǐng)第三方面，提供一種無(wú)負(fù)極堿金屬電池，包括正極極片、隔膜、如上所述的多孔復(fù)合集流體以及電解質(zhì)。

38、本申請(qǐng)至少具有以下有益效果：

39、本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗫讖?fù)合集流體中，增韌聚合物層由聚合物和無(wú)機(jī)納米填料復(fù)合而成，可以增強(qiáng)材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和韌性，有效地避免集流體的力學(xué)性能出現(xiàn)劣化。功能性金屬層選自金、銀、鋅、錫、銻、鉍和鎂中的一種或多種，這些金屬具有親堿金屬性，可以誘導(dǎo)堿金屬離子進(jìn)行定向沉積，同時(shí)還具有粘結(jié)作用，可以提升增韌聚合物層和多孔導(dǎo)電層之間的結(jié)合力，減少極片制備過(guò)程和電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中發(fā)生脫落或損壞等的現(xiàn)象。多孔導(dǎo)電層具有多個(gè)垂直于功能性金屬層的孔，這種垂直孔道結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)堿金屬離子在孔結(jié)構(gòu)內(nèi)自下而上的沉積，促進(jìn)了堿金屬的面內(nèi)生長(zhǎng)，從而抑制堿金屬枝晶的生長(zhǎng)。將本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗫讖?fù)合集流體應(yīng)用于無(wú)負(fù)極堿金屬電池，可以大幅度提升其循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種多孔復(fù)合集流體，其特征在于，包括依次層疊的增韌聚合物層、功能性金屬層以及多孔導(dǎo)電層；

2.如權(quán)利要求1所述的多孔復(fù)合集流體，其特征在于，所述多孔導(dǎo)電層包括銅和鎳中的一種或多種；和/或，

3.如權(quán)利要求1所述的多孔復(fù)合集流體，其特征在于，所述聚合物和所述無(wú)機(jī)納米填料的質(zhì)量比為100:(5~50)；和/或，

4.如權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的多孔復(fù)合集流體，其特征在于，所述增韌聚合物層的厚度為2μm~10μm；和/或，

5.一種如權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的多孔復(fù)合集流體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.如權(quán)利要求5所述的多孔復(fù)合集流體的制備方法，其特征在于，所述熔融共混處理的條件包括：溫度為160℃~350℃，時(shí)間為0.5h~4h；和/或，

7.如權(quán)利要求5所述的多孔復(fù)合集流體的制備方法，其特征在于，所述電子束光刻法包括以下步驟：

8.如權(quán)利要求7所述的多孔復(fù)合集流體的制備方法，其特征在于，所述光刻膠層的形成方法包括旋涂法；和/或，

9.如權(quán)利要求7所述的多孔復(fù)合集流體的制備方法，其特征在于，所述第一導(dǎo)電層包括鉻，所述第一導(dǎo)電層的去除方法包括以下步驟：

10.一種無(wú)負(fù)極堿金屬電池，其特征在于，包括正極極片、隔膜、如權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的多孔復(fù)合集流體以及電解質(zhì)。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及電化學(xué)裝置的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多孔復(fù)合集流體及其制備方法和無(wú)負(fù)極堿金屬電池。所述多孔復(fù)合集流體，包括依次層疊的增韌聚合物層、功能性金屬層以及多孔導(dǎo)電層；所述增韌聚合物層包括聚合物以及分散于所述聚合物中的無(wú)機(jī)納米填料；所述功能性金屬層包括金、銀、鋅、錫、銻、鉍和鎂中的一種或多種；所述多孔導(dǎo)電層具有多個(gè)垂直于所述功能性金屬層的孔。本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗫讖?fù)合集流體的力學(xué)性能優(yōu)異，并可以有效地抑制堿金屬枝晶的生長(zhǎng)，可以大幅度提升無(wú)負(fù)極堿金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：蔡比亞,王榮福,易典,朱海峰,袁昌理
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳市漢嵙新材料技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10