CN107994209B - 一种提高锂负极性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高锂负极性能的方法，属于电极材料领域，是一种非常简单且有效的方法。本发明以商用铜箔做为集流体，并在其一面旋蒸法镀一层金，得到单面镀金的Au@Cu电极；组装电池时，隔膜选用聚丙烯膜，锂片作为对电极，单面镀金的Au@Cu电极作为工作电极，其中，镀金面反向于隔膜。本发明采用的方法中，由于采用单面镀金的Au@Cu电极，锂选择性沉积于Au上，反向与隔膜生长，防止枝晶刺破隔膜，能够有效提高锂负极的安全性能；同时，Li枝晶向下生长时，由于阻力的作用，锂会沉积的更为均匀，有效的抑制锂枝晶的产生，提高锂负极的库伦效率。
Description
技术领域
本发明属于电极材料领域，涉及一种锂负极的制备方法及其在电池中的应用。
背景技术
锂离子电池的能量密度已经不足以满足当今社会很多应用的需求，所以具有更高能量密度的下一代电池(如锂硫电池，锂空电池等)受到了广泛的关注。在这些电池中，负极采用了锂负极，因此研究具有高性能的锂负极十分必要。
锂负极具有很多的优势，如：(1)最低的电位(-3.040V)；(2)环境友好；(3)超高理论比容量高达3860mAh/g，等。然而，锂负极具有致命的缺陷制约着锂硫电池，锂空电池等下一代电池在实际中的应用。这些缺陷由锂在沉积过程中形成的锂枝晶而产生：一方面，锂枝晶可能刺穿隔膜，照成电池短路，引起安全性问题；另一方面，锂枝晶暴露更多比表面，加速锂与电解液的不可逆反应，且易在循环过程中产生“死锂”，造成库伦效率的降低。
发明内容
针对这些问题，本发明提供一种非常简单且有效的方法来改善锂负极的性能。以商用铜箔作为集流体，并在其一面旋蒸法镀一层金(Au)，得到单面镀金的Au@Cu电极。组装电池时，镀金面反向于隔膜。在这样的电极中：(1)由于锂的沉积特性，锂会选择性沉积于Au上；而又由于沉积Au的一面反向与隔膜，Cu箔贴近隔膜的一面不会有锂沉积，这样，锂将会反向与隔膜生长，有效防止枝晶刺破隔膜，提高锂负极的安全性能；(2)Li枝晶反向生长时，由于阻力的作用，使得锂会沉积的更为均匀，有效的抑制锂枝晶的产生，减少Li枝晶与电解液的不可逆反应和“死锂”的产生，提高锂负极的库伦效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种提高锂负极性能的方法，包括以下步骤：
第一步，清洗集流体
以商用铜箔作为集流体，在室温下将铜箔浸入去离子水、乙醇和丙酮的混合溶液中，超声处理15～30min后，取出在60～80℃干燥1～3h，得到清洗后的铜箔集流体。所述的混合溶液中去离子水、乙醇和丙酮的体积比为1:1:1。
第二步，在铜箔集流体单面镀金Au
将清洗过的铜箔集流体放入离子溅射/蒸镀一体化镀膜仪中，溅射蒸镀30～90s，得到单面镀金的Au@Cu电极。
第三步，组装电池
将制备得到的单面镀金的Au@Cu电极作为工作电极，锂片作为对电极，组成电池，隔膜选用聚丙烯膜，其中，工作电极中镀金的一面放置在隔膜的反向。纽扣电池的电解质选用含有1M六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂，其中，碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的体积比为1:1。采用该方法组装的电池能够显著提高锂负极性能。
本发明的有益效果为：(1)由于锂的沉积特性，锂会选择性沉积于Au上；而又由于沉积Au的一面反向与隔膜，Cu箔贴近隔膜的一面不会有锂沉积，这样，锂将会反向与隔膜生长，有效防止枝晶刺破隔膜，提高锂负极的安全性能；(2)Li枝晶反向生长时，由于阻力的作用，使得锂会沉积的更为均匀，有效的抑制锂枝晶的产生，减少Li枝晶与电解液的不可逆反应和“死锂”的产生，提高锂负极的库伦效率。在实际测试中，Cu电极的电伦效率很快降低，并且在50小时后基本损坏；而单面镀金的Au@Cu电极的库伦效率在首次后保持在97％以上，并可以稳定循环550小时以上。
附图说明
图1(a)为Cu集流体光面的扫描电镜(SEM)图；放大倍率为50000倍，标尺为2μm。
图1(b)为Cu集流体毛面的扫描电镜(SEM)图；放大倍率为50000倍，标尺为2μm。
图2(a)为Cu电极光面沉积锂后，Cu电极和单面镀金的Au@Cu电极的扫描电镜(SEM)图；放大倍率为50000倍，a，b，c标尺为3μm；d标尺3μm。
图2(b)为Cu电极毛面沉积锂后，Cu电极和单面镀金的Au@Cu电极的扫描电镜(SEM)图；放大倍率为50000倍，a，b，c标尺为3μm；d标尺3μm。
图2(c)为单面镀金的Au@Cu电极光面(镀Au面)沉积锂后，Cu电极和单面镀金的Au@Cu电极的扫描电镜(SEM)图；放大倍率为50000倍，a，b，c标尺为3μm；d标尺3μm。
图2(d)为单面镀金的Au@Cu电极毛面沉积锂后，Cu电极和单面镀金的Au@Cu电极的扫描电镜(SEM)图；放大倍率为50000倍，a，b，c标尺为3μm；d标尺3μm。
图3(a)为单面镀金的Au@Cu电极在第1次，第50次和第100次的充放电平台图，沉积锂的量为5mAh/cm2，电流密度为2mA/cm2。
图3(b)为Cu电极在第1次，第20次，第30次，第34次和第35次的充放电平台图，沉积锂的量为5mAh/cm2，电流密度为2mA/cm2。
图4为Cu电极和单面镀金的Au@Cu电极的循环稳定性(Long-termelectrochemical cycling stability)；沉积沉积锂的量为5.5mAh/cm2电流密度2mA/cm2,电量密度为5mAh/cm2。
具体实施方式
以下通过具体实施案例进一步说明本发明单面镀金的Au@Cu电极和电池制备方法。以下实施案例中：
制得的正极材料的表征及电化学测试如下：
(1)扫描电镜测试。电化学测试：使用仪器型号为：LAND电池测试系统，武汉，测试温度：25℃；
实施案例1：
第一步，铜箔集流体清洗。
在室温下将质量铜箔浸入去离子水，乙醇和丙酮按照比例(v：v,1:1:1)制备的混合溶液中，然后超声处理30min，最后取出在80℃干燥1h。
第二步，在铜箔单面镀Au。
将清洗过的铜箔集流体放入离子溅射/蒸镀一体化镀膜仪，溅射蒸镀90s，得到单面镀金的Au@Cu电极。
第三步，组装电池。
将制备得到的单面镀金的Au@Cu电极作为工作电极，锂片做为对电极，组成纽扣电池，隔膜选用聚丙烯膜，其中，镀金的一面放置在隔膜的反向。电解质选用含有1M六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂(v：v,1:1)。
对本实施案例制备的材料进行测试，结果如下：
如图1(a)、(b)所示，Cu电极一面为光面(图1a)，一面为毛面(图1b)
如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示，锂在Cu电极两面同时沉积(图2a-b)，而在单面镀金的Au@Cu电极上，只在镀Au的光面(图2c)上沉积，而且由于反向沉积的原因，与图2a相比，几乎没有枝晶的产生。而在未镀Au的毛面上几乎没有理的沉积(图2d)。
如图3(a)、(b)所示，Cu电极的电伦效率很快降低。而单面镀金的Au@Cu电极的库伦效率在首次后保持在97％以上。
如图4所示，对Cu电极而言，电极在50小时后基本损坏。而单面镀金的Au@Cu电极可以稳定循环550小时以上。
本案例制备的负极在电池测试中显示了超长的循环寿命和不俗的库伦效率，充分说明了本专利设计的合理性。
实施案例2：
第一步，铜箔集流体清洗
在室温下将质量铜箔浸入去离子水，乙醇和丙酮按照比例(v：v,1:1:1)制备的混合溶液中，然后超声处理20min，最后取出在70℃干燥2h。
第二步，在铜箔单面镀金
将清洗过的铜箔集流体放入离子溅射/蒸镀一体化镀膜仪，溅射蒸镀60s，得到单面镀金的Au@Cu电极。
第三步，组装电池。
将制备得到的单面镀金的Au@Cu电极作为工作电极，锂片做为对电极，组成纽扣电池，隔膜选用聚丙烯膜，其中，镀金的一面放置在隔膜的反向。电解质选用含有1M六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂(v：v,1:1)。
实施案例3：
第一步，铜箔集流体清洗。
在室温下将质量铜箔浸入去离子水，乙醇和丙酮按照比例(v：v,1:1:1)制备的混合溶液中，然后超声处理15min，最后取出在60℃干燥3h。
第二步，在铜箔单面镀Au。
将清洗过的铜箔集流体放入离子溅射/蒸镀一体化镀膜仪，溅射蒸镀30s，得到单面镀金的Au@Cu电极。
第三步，组装电池。
将制备得到的单面镀金的Au@Cu电极作为工作电极，锂片做为对电极，组成纽扣电池，隔膜选用聚丙烯膜，其中，镀金的一面放置在隔膜的反向。电解质选用含有1M六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂(v：v,1:1)。
Claims (5)
1.一种提高锂负极性能的方法，其特征在于以下步骤：
第一步，清洗集流体
以商用铜箔作为集流体，在室温下将铜箔浸入去离子水、乙醇和丙酮的混合溶液中，超声处理后，取出在60～80℃干燥1～3h，得到清洗后的铜箔集流体；
第二步，在铜箔集流体单面镀金Au
将清洗过的铜箔集流体放入离子溅射/蒸镀一体化镀膜仪中，溅射蒸镀30～90s，得到单面镀金的Au@Cu电极；
第三步，组装电池
将制备得到的单面镀金的Au@Cu电极作为工作电极，锂片作为对电极，组成纽扣电池，隔膜选用聚丙烯膜，其中，工作电极中镀金的一面放置在隔膜的反向；纽扣电池的电解质选用含有1M六氟磷酸锂的碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的混合溶剂。
2.根据权利要求1所述的一种提高锂负极性能的方法，其特征在于，第一步中所述的混合溶液中去离子水、乙醇和丙酮的体积比为1:1:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高锂负极性能的方法，其特征在于，所述的超声处理时间为15～30min。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高锂负极性能的方法，其特征在于，第三步中所述的电解质中碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的体积比为1:1。
5.根据权利要求3所述的一种提高锂负极性能的方法，其特征在于，第三步中所述的电解质中碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的体积比为1:1。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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