CN111162283A - 一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法和应用，它涉及一种集流体的制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有三维金属泡沫镍作为导电集流体，电荷在泡沫镍骨架上分布不均匀，造成不均匀的锂金属成核，导致锂枝晶的产生的问题。方法：一、剪裁；二、超声、干燥；三、氧化；四、还原。一种纳米多孔泡沫镍集流体作为金属锂负极的集流体。以本发明制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，库伦效率非常稳定，没有明显的波动，且200次循环后仍具有大于98％的库伦效率；以本发明制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，对称的锂金属电池可以稳定循环700h以上，相当于350次循环以上。本发明可获得一种纳米多孔泡沫镍集流体。

Description

一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种集流体的制备方法和应用。
背景技术
目前，锂离子电池已经应用到各种电子器件中，极大地方便了人们的生活，推动了社会发展。但是，随着对电子器件的轻量化及延长其工作时长的要求，尤其是电动汽车的快速发展，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，目前商业化的锂离子电池的能量密度大约在200～250Wh·kg-1。锂金属负极具有高理论比容量(3860mAh·g-1)，低还原电势(-3.04V相对于标准氢电极)和低密度(0.53g·cm-3)等优点，被认为是下一代高能量密度锂电池的理想负极材料。但是锂金属在作为锂电池的负极材料时存在很多缺点，如锂枝晶的生长，巨大的体积变化，非活性锂的形成，不稳定的固态电解质界面(SEI)膜，低库伦效率和短路引发的安全问题等。这些缺点严重阻碍了锂金属负极在高能量密度锂电池中的应用。其中，锂枝晶的生长和巨大的体积变化是锂金属负极所面临的最大的两个挑战，因为其它的缺点都是由这两者直接或间接引起的。针对锂金属负极存在的缺点，科研人员已经提出了不同的解决方法。方法一、在电解液中加入添加剂在金属锂表面构建较稳定的SEI膜，尽管该方法能够在一定程度上稳定锂金属负极，但是随着充放电循环的进行添加剂会不断消耗，不能持久地稳定锂金属负极。方法二、组装电池之前，在锂金属负极表面构建一层人造SEI层来稳定锂金属负极，但是由于锂金属负极巨大的体积变化会造成人造SEI层机械强度的下降，进而产生裂纹使锂金属与电解液接触，造成副反应的发生，降低了电池的库伦效率和循环寿命。方法三、通过修饰隔膜阻止锂枝晶刺穿隔膜引发短路，但是该方法并不能阻止锂枝晶及非活性锂的形成。
目前，一种解决锂金属负极缺点比较理想的方法是使用具有高比表面积的三维导电集流体，高的比表面可以减小金属锂沉积时的局部电流密度，延长锂枝晶的形成时间；此外，三维结构可以作为金属锂的沉积骨架，缓冲锂金属负极的体积变化。三维金属泡沫镍价格低廉且具有连续的大孔结构，是一种潜在的锂金属负极集流体材料，但由于电荷在泡沫镍骨架上分布不均匀，造成不均匀的锂金属成核，导致锂枝晶的产生。
发明内容
本发明的目的是要解决现有三维金属泡沫镍作为导电集流体，电荷在泡沫镍骨架上分布不均匀，造成不均匀的锂金属成核，导致锂枝晶的产生的问题，而提供一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法和应用。
一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，是按以下步骤完成的：
一、剪裁：
将泡沫镍剪裁成圆片，得到泡沫镍圆片；
二、将泡沫镍圆片在无水乙醇中超声清洗，再放入干燥箱中干燥，得到干燥后的泡沫镍圆片；
三、首先将干燥后的泡沫镍圆片放入管式炉中，然后在空气气氛和温度为300℃～900℃下热处理2h～12h，最后自然冷却至室温，得到氧化后的泡沫镍圆片；
四、将氧化后的泡沫镍圆片放入管式炉中，向管式炉中通入氢气和氩气的混合气体，再在氢气和氩气的混合气氛和温度为300℃～900℃的条件下还原热处理2h～12h，再自然冷却至室温，得到纳米多孔泡沫镍集流体。
一种纳米多孔泡沫镍集流体作为金属锂负极的集流体。
本发明的原理及优点：
一、本发明采用先氧化后还原的方法制备了纳米多孔泡沫镍集流体，均匀分布于泡沫镍骨架上的纳米孔极大地提高了集流体的比表面积，减小了锂金属沉积的局部电流密度，使金属锂的成核和锂离子流的分布更加均匀，促进了平整致密金属锂的沉积；通过对半电池的研究，纳米多孔泡沫镍集流体比单纯的泡沫镍集流体具有更高更稳定的库伦效率；对称电池的研究显示，以本发明制备的纳米多孔泡沫镍作为集流体的锂金属负极具有更长的循环寿命；
二、以本发明制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，库伦效率非常稳定，没有明显的波动，且200次循环后仍具有大于98％的库伦效率；
三、以本发明制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，对称的锂金属电池可以稳定循环700h以上，相当于350次循环以上。
本发明可获得一种纳米多孔泡沫镍集流体。
附图说明
图1是金属锂在不同集流体上电沉积的示意图，图中a为泡沫镍，b为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体，1为Li+流，2为锂核，3为枝晶Li，4为平整Li；
图2为XRD图谱，图中1为泡沫镍，2为实施例一步骤三得到的氧化后的泡沫镍圆片，3为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体；
图3为泡沫镍的表面SEM照片；
图4为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体的表面SEM照片；
图5为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体的截面SEM照片；
图6为对比实施例二中得到的CR2032纽扣电池经过99次循环后，第100次沉积后对电极金属锂片中的锂沉积到泡沫镍集流体上的SEM照片；
图7为实施例二中得到的CR2032纽扣电池经过99次循环后，第100次沉积后对电极金属锂片中的锂沉积到实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体上的SEM照片；
图8为库伦效率图，图8中1为对比实施例二中得到的CR2032纽扣电池的库伦效率，2为实施例二中得到的CR2032纽扣电池的库伦效率；
图9为循环性能图，图中1为对比实施例二中得到的CR2032纽扣电池的循环性能，2为实施例二中得到的CR2032纽扣电池的循环性能。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，是按以下步骤完成的：
一、剪裁：
将泡沫镍剪裁成圆片，得到泡沫镍圆片；
二、将泡沫镍圆片在无水乙醇中超声清洗，再放入干燥箱中干燥，得到干燥后的泡沫镍圆片；
三、首先将干燥后的泡沫镍圆片放入管式炉中，然后在空气气氛和温度为300℃～900℃下热处理2h～12h，最后自然冷却至室温，得到氧化后的泡沫镍圆片；
四、将氧化后的泡沫镍圆片放入管式炉中，向管式炉中通入氢气和氩气的混合气体，再在氢气和氩气的混合气氛和温度为300℃～900℃的条件下还原热处理2h～12h，再自然冷却至室温，得到纳米多孔泡沫镍集流体。
本实施方式的原理及优点：
一、本实施方式采用先氧化后还原的方法制备了纳米多孔泡沫镍集流体，均匀分布于泡沫镍骨架上的纳米孔极大地提高了集流体的比表面积，减小了锂金属沉积的局部电流密度，使金属锂的成核和锂离子流的分布更加均匀，促进了平整致密金属锂的沉积；通过对半电池的研究，纳米多孔泡沫镍集流体比单纯的泡沫镍集流体具有更高更稳定的库伦效率；对称电池的研究显示，以本实施方式制备的纳米多孔泡沫镍作为集流体的锂金属负极具有更长的循环寿命；
二、以本实施方式制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，库伦效率非常稳定，没有明显的波动，且200次循环后仍具有大于98％的库伦效率；
三、以本实施方式制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，对称的锂金属电池可以稳定循环700h以上，相当于350次循环以上。
本实施方式可获得一种纳米多孔泡沫镍集流体。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的泡沫镍的厚度为0.2mm～1.6mm；所述的泡沫镍圆片的直径为10mm～16mm。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中将泡沫镍圆片在无水乙醇中超声清洗的次数为2次～5次，每次清洗时间为5min～30min，超声清洗的功率为80W～200W。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的干燥温度为50℃～100℃，干燥时间为0.5h～5h。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三中管式炉的升温速率为1℃/min～10℃/min。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤四中所述的氢气和氩气的混合气体中氢气和氩气的体积比为(2～10):(90～98)。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤四中管式炉的升温速率为1℃/min～10℃/min。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式是一种纳米多孔泡沫镍集流体作为金属锂负极的集流体。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：利用一种纳米多孔泡沫镍集流体作为金属锂负极的集流体制备CR2032纽扣电池是按以下步骤完成的：
以一种纳米多孔泡沫镍集流体为工作电极，金属锂片为对电极，聚丙烯膜为隔膜，添加30μL～100μL电解液，在手套箱中组装，得到CR2032纽扣电池。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：所述的电解液由LiTFSI、LiNO3、1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚混合而成；所述的电解液中LiTFSI的浓度为1mol/L，LiNO3的质量分数为0.5％～3％，1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚体积比为1:1。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，是按以下步骤完成的：
一、剪裁：
将厚度为0.5mm的泡沫镍剪裁成圆片，得到直径为12mm泡沫镍圆片；
二、将直径为12mm的泡沫镍圆片在无水乙醇中超声清洗3次，每次清洗时间为15min，超声清洗的功率为180W，再放入温度为60℃的干燥箱中干燥2h，得到干燥后的泡沫镍圆片；
三、首先将干燥后的泡沫镍圆片放入管式炉中，再将管式炉以5℃/min的升温速率升温至700℃，再在空气气氛和温度为700℃下热处理8h，最后自然冷却至室温，得到氧化后的泡沫镍圆片；
四、将氧化后的泡沫镍圆片放入管式炉中，再将管式炉以5℃/min的升温速率升温至500℃，向管式炉中通入氢气和氩气的混合气体，再在氢气和氩气的混合气氛和温度为500℃的条件下还原热处理5h，再自然冷却至室温，得到纳米多孔泡沫镍集流体；
步骤四中所述的氢气和氩气的混合气体中氢气和氩气的体积比为5:95。
实施例二：利用实施例一制备的一种纳米多孔泡沫镍集流体作为金属锂负极的集流体制备CR2032纽扣电池是按以下步骤完成的：
以实施例一制备的一种纳米多孔泡沫镍集流体为工作电极，金属锂片为对电极，聚丙烯膜为隔膜，添加60μL电解液，在手套箱中组装，得到CR2032纽扣电池；
所述的电解液由LiTFSI、LiNO3、1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚混合而成；所述的电解液中LiTFSI的浓度为1mol/L，LiNO3的质量分数为1％，1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚体积比为1:1。
对比实施例二：利用泡沫镍作为金属锂负极的集流体制备CR2032纽扣电池是按以下步骤完成的：
以泡沫镍为工作电极，金属锂片为对电极，聚丙烯膜为隔膜，添加60μL电解液，在手套箱中组装，得到CR2032纽扣电池；
所述的泡沫镍为直径为12mm的泡沫镍圆片，厚度为0.5mm；
所述的电解液由LiTFSI、LiNO3、1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚混合而成；所述的电解液中LiTFSI的浓度为1mol/L，LiNO3的质量分数为1％，1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚体积比为1:1。
图1是金属锂在不同集流体上电沉积的示意图，图中a为泡沫镍，b为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体，1为Li+流，2为锂核，3为枝晶Li，4为平整Li；
从图1可知，电荷在泡沫镍骨架上分布不均匀，造成不均匀的锂金属成核，导致锂枝晶的产生；而本发明制备的纳米多孔泡沫镍集流体由于均匀分布于泡沫镍骨架上的纳米孔极大地提高了集流体的比表面积，减小了锂金属沉积的局部电流密度，使金属锂的成核和锂离子流的分布更加均匀，促进了平整致密金属锂的沉积。
图2为XRD图谱，图中1为泡沫镍，2为实施例一步骤三得到的氧化后的泡沫镍圆片，3为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体；
从图2中可以看到，氧化后的泡沫镍中含有NiO的成分，经过还原热处理后，NiO能够完全被还原，纳米多孔泡沫镍集流体中不再含有NiO成分。
图3为泡沫镍的表面SEM照片；
从图3中可以看出，其表面比较光滑。
图4为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体的表面SEM照片；
从图4中可以看出，实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体表面存在大量的纳米孔结构，纳米孔的直径范围为200nm～800nm，纳米多孔结构赋予了泡沫镍集流体较大的比表面积。
图5为实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体的截面SEM照片；
从图5中可以看出，在实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体的内部也存在大量的纳米孔结构。
图6为对比实施例二中得到的CR2032纽扣电池经过99次循环后，第100次沉积后对电极金属锂片中的锂沉积到泡沫镍集流体上的SEM照片；
图6中的沉积电流密度为1mA/cm2，沉积容量为1mAh/cm-2，1次循环为1次锂沉积(放电)和1次锂剥离(充电)，沉积指的是对电极的金属锂片中的锂沉积到集流体上，剥离指的是沉积到集流体上的锂再回到对电极金属锂片上。从图6中可以看出存在大量的锂枝晶结构。
图7为实施例二中得到的CR2032纽扣电池经过99次循环后，第100次沉积后对电极金属锂片中的锂沉积到实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体上的SEM照片；
图7中的沉积电流密度为1mA/cm2，沉积容量为1mAh/cm-2，1次循环为1次锂沉积(放电)和1次锂剥离(充电)，从图7中可以看出，得到的锂金属负极表面平整无锂枝晶存在。
图8为库伦效率图，图8中1为对比实施例二中得到的CR2032纽扣电池的库伦效率，2为实施例二中得到的CR2032纽扣电池的库伦效率；
图8中的充放电电流密度为1mA/cm2，循环容量为1mAh/cm2，从图8中可以看出，以实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，库伦效率非常稳定，没有明显的波动，且200次循环后仍具有98.7％的库伦效率；而以泡沫镍为集流体时，库伦效率存在较大的波动，只能保持50次稳定的循环，200次循环后库伦效率只有75.6％。
图9为循环性能图，图中1为对比实施例二中得到的CR2032纽扣电池的循环性能，2为实施例二中得到的CR2032纽扣电池的循环性能。
图9中的充放电电流密度为1mA/cm2，循环容量为1mAh/cm2，从图9中可以看出，以实施例一步骤四制备的纳米多孔泡沫镍集流体作为集流体时，对称的锂金属电池可以稳定循环700h，相当于350次循环；而以泡沫镍为集流体时，对称的锂金属电池循环420h(210次循环)后发生了短路。以上结果表明，具有高比表面积的纳米多孔泡沫镍作为锂金属负极的集流体时，能够抑制锂枝晶的形成，提高锂金属负极的电化学性能。

Claims (10)

1.一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，其特征在于一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法是按以下步骤完成的：
一、剪裁：
将泡沫镍剪裁成圆片，得到泡沫镍圆片；
二、将泡沫镍圆片在无水乙醇中超声清洗，再放入干燥箱中干燥，得到干燥后的泡沫镍圆片；
三、首先将干燥后的泡沫镍圆片放入管式炉中，然后在空气气氛和温度为300℃～900℃下热处理2h～12h，最后自然冷却至室温，得到氧化后的泡沫镍圆片；
四、将氧化后的泡沫镍圆片放入管式炉中，向管式炉中通入氢气和氩气的混合气体，再在氢气和氩气的混合气氛和温度为300℃～900℃的条件下还原热处理2h～12h，再自然冷却至室温，得到纳米多孔泡沫镍集流体。
2.根据权利要求1所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，其特征在于步骤一中所述的泡沫镍的厚度为0.2mm～1.6mm；所述的泡沫镍圆片的直径为10mm～16mm。
3.根据权利要求1所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，其特征在于步骤二中将泡沫镍圆片在无水乙醇中超声清洗的次数为2次～5次，每次清洗时间为5min～30min，超声清洗的功率为80W～200W。
4.根据权利要求1所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，其特征在于步骤二中所述的干燥温度为50℃～100℃，干燥时间为0.5h～5h。
5.根据权利要求1所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，其特征在于步骤三中管式炉的升温速率为1℃/min～10℃/min。
6.根据权利要求1所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，其特征在于步骤四中所述的氢气和氩气的混合气体中氢气和氩气的体积比为(2～10):(90～98)。
7.根据权利要求1所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的制备方法，其特征在于步骤四中管式炉的升温速率为1℃/min～10℃/min。
8.如权利要求1所述的制备方法制备的一种纳米多孔泡沫镍集流体的应用，其特征在于一种纳米多孔泡沫镍集流体作为金属锂负极的集流体。
9.根据权利要求8所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的应用，其特征在于利用一种纳米多孔泡沫镍集流体作为金属锂负极的集流体制备CR2032纽扣电池是按以下步骤完成的：
以一种纳米多孔泡沫镍集流体为工作电极，金属锂片为对电极，聚丙烯膜为隔膜，添加30μL～100μL电解液，在手套箱中组装，得到CR2032纽扣电池。
10.根据权利要求9所述的一种纳米多孔泡沫镍集流体的应用，其特征在于所述的电解液由LiTFSI、LiNO3、1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚混合而成；所述的电解液中LiTFSI的浓度为1mol/L，LiNO3的质量分数为0.5％～3％，1,3-二氧戊环和1,2-乙二醇二甲醚体积比为1:1。
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