CN111193005A - 一种铜箔集流体及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜箔集流体及其制备方法和应用，属于锂金属二次电池技术领域。本发明提供的铜箔集流体的制备方法，包括以下步骤：将硝酸银水溶液喷涂于水平铺开的铜箔上，然后依次经洗涤和干燥后，得到铜箔集流体。本发明通过简单、实用的喷涂方法，将亲锂的银纳米颗粒均匀沉积到平面铜箔上，所得铜箔集流体上的银纳米颗粒可以为锂沉积提供形核位点，从而有效地降低锂沉积的形核过电位，指导锂金属均匀沉积，可以有效抑制锂枝晶的生长，从而提升电池的循环稳定性。本发明的方法过程简单，成本低廉，适用于工业化生产，可以规模化制备具有亲锂特性的铜箔集流体。

Description

一种铜箔集流体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及锂金属二次电池技术领域，尤其涉及一种铜箔集流体及其制备方法和应用。
背景技术
随着现代电子设备在世界范围内的广泛普及，高能量密度、长循环寿命的可充电电池被迫切追求。然而，目前的锂离子电池(LIBS)几乎达到了理论上的局限性。因此，研制高能量、高功率密度、长循环寿命的新型电极材料具有重要的意义。锂金属电极被誉为“圣杯”电极，具有比容量高和反应电位低等优点，被认为是最有前途的下一代电极材料。然而，锂金属在集流体上反复沉积/脱出剥离过程中，总是会产生枝晶状锂，从而恶化电池的循环性能并带来安全隐患。
在集流体上无枝晶状锂沉积是保持锂金属电池循环稳定性的重要途经。近些年来，构造稳定的天然或人工SEI层、修饰隔膜和固态电解质的使用以及特殊结构的集流体材料的研发(如泡沫铜、泡沫镍和泡沫碳等)都可以抑制锂枝晶的生长，从而改善锂金属电池的循环稳定性。
与质量相对较重的三维集流体相比，具有平面结构的铜箔显示出了更明显的实用价值。但是纯铜的非亲锂性，使得锂沉积时需要克服较大的形核过电位，进而引起电场的不均匀分布，最终导致枝晶状锂的产生，恶化电池循环性能。一些亲锂的金属(Au和Ag)或氧化物(如ZnO)可以减小锂的形核过电位，从而抑制锂枝晶的生长。然而，制备亲锂的负极材料或者集流体往往面临着过程复杂、设备昂贵以及有限的产量等问题，因此，难以将其进行商业化推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜箔集流体及其制备方法和应用，该方法过程简单、成本低廉，可以规模化制备具有亲锂特性的铜箔集流体，而且制备的铜箔集流体能够抑制锂枝晶产生并提升锂电池的循环性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铜箔集流体的制备方法，包括以下步骤：
将硝酸银水溶液喷涂于水平铺开的铜箔上，然后依次经洗涤和干燥后，得到铜箔集流体。
优选的，所述硝酸银水溶液的制备过程包括：将硝酸银粉末与水混合，进行超声分散，得到硝酸银水溶液。
优选的，所述超声分散的功率为100W，时间为1～2h。
优选的，所述硝酸银水溶液的浓度为100～150mmol/L。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的铜箔集流体，所述铜箔集流体的表面沉积有银纳米粒子，所述银纳米粒子的粒径为50～80nm。
本发明提供了上述技术方案所述铜箔集流体作为锂金属二次电池负极集流体的应用。
本发明提供了一种铜箔集流体的制备方法，包括以下步骤：将硝酸银水溶液喷涂于水平铺开的铜箔上，然后依次经洗涤和干燥后，得到铜箔集流体。本发明通过简单、实用的喷涂方法，将亲锂的银纳米颗粒均匀沉积到平面铜箔上，所得铜箔集流体上的银纳米颗粒可以为锂沉积提供形核位点，从而有效地降低锂沉积的形核过电位，指导锂金属均匀沉积，可以有效抑制锂枝晶的生长，从而提升电池的循环稳定性。
本发明的方法过程简单，成本低廉，适用于工业化生产，可以规模化制备具有亲锂特性的铜箔集流体；
本发明制备的铜箔集流体质量轻，比改性三维集流体(质量重)更具有实用价值。
附图说明
图1为本发明制备铜箔集流体过程中喷涂前的铜箔与喷涂后的铜箔对比图；
图2为实施例1制备的铜箔集流体的扫描电镜图；
图3为实施例1制备的铜箔集流体与纯铜箔集流体分别组装成的半电池的库伦效率对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种铜箔集流体的制备方法，包括以下步骤：
将硝酸银水溶液喷涂于水平铺开的铜箔上，然后依次经洗涤和干燥后，得到铜箔集流体。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将硝酸银水溶液喷涂于水平铺开的铜箔上。在本发明中，所述硝酸银水溶液的制备过程优选包括：将硝酸银粉末与水混合，进行超声分散，得到硝酸银水溶液。本发明对所述硝酸银粉末的规格没有特殊的限定，本领域熟知规格的市售商品即可。在本发明中，所述水优选为去离子水。本发明对所述混合的过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的过程能够将原料混合均匀即可。在本发明中，所述超声分散的功率优选为100W，时间优选为1～2h。本发明通过超声分散促进硝酸银溶解于水中，得到均匀的硝酸银水溶液。
在本发明中，所述硝酸银水溶液的浓度优选为100～150mmol/L，更优选为120～130mmol/L。本发明对所述喷涂的方式没有特殊的限定，选用本领域熟知的过程即可。
本发明对所述水平铺开的铜箔没有特殊的限定，直接将干净的铜箔水平放置于桌面上进行喷涂处理即可。本发明优选进行所述喷涂直至铜箔表面颜色变为暗灰色，即完成所述喷涂。在喷涂过程中，硝酸银与铜箔发生氧化还原反应，得到纳米银。
完成所述喷涂后，本发明将所得喷涂后的铜箔依次经洗涤和干燥后，得到铜箔集流体。本发明优选采用去离子水进行所述洗涤，将多余的硝酸银水溶液和产生的铜离子清洗干净。在本发明中，所述干燥的方式优选为晾干。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的铜箔集流体，所述铜箔集流体的表面沉积有银纳米粒子，所述银纳米粒子的粒径为50～80nm。
本发明提供了上述技术方案所述铜箔集流体作为锂金属二次电池负极集流体的应用。本发明对将所述铜箔集流体作为锂金属二次电池负极集流体的方法没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程直接将其作为负极集流体即可，具体可以利用裁片机将所述铜箔集流体裁剪成面积为1.0cm-2的圆片，将所述圆片与纯锂片组装成纽扣电池。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将硝酸银粉末倒入含有1L去离子水的喷壶中，在功率为100W条件下进行超声分散1h，得到浓度为100mM的硝酸银水溶液；
将干净的铜箔水平放置于桌面上，等待喷涂处理；
将所述硝酸银水溶液均匀喷涂在所述铜箔上，直到铜箔表面颜色变为暗灰色(如图1所示，其中A为喷涂前的铜箔，B为喷涂后的铜箔)；
将喷涂后的铜箔用去离子水清洗干净，晾干后，得到铜箔集流体。
表征及测试
1)对实施例1制备的铜箔集流体进行扫描电镜表征，结果如图2。由图可以看出，利用本发明的方法可以将银纳米粒子均匀生长在铜集流体表面，且所述银纳米粒子的平均粒径约为50nm。
2)将实施例1制备的铜箔集流体与纯铜箔集流体(即不沉积银)分别和纯锂片组装成半电池，并在1mA·cm-2的电流密度下沉积1mAh·cm-2的金属锂，所得库伦效率对比图见图3，从图3中可以看出，银纳米粒子的存在可以使电池稳定循环600次，而没有银粒子的纯金属铜箔的稳定循环次数少于100次。
实施例2
与实施例1不同的是：硝酸银水溶液的浓度为150mM，其余同实施例1。
将实施例2制备的铜箔集流体进行性能测试，得到的结果与实施例1相同或相似，说明本发明的方法制备的铜箔集流体能够显著提高铜箔的循环稳定性。
由以上实施例可知，本发明提供了一种铜箔集流体及其制备方法和应用，本发明通过简单、实用的喷涂方法，将亲锂的银纳米颗粒均匀沉积到平面铜箔上，所得铜箔集流体能够显著提高铜箔的循环稳定性。本发明的方法过程简单，成本低廉，适用于工业化生产，可以规模化制备具有亲锂特性的铜箔集流体。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铜箔集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将硝酸银水溶液喷涂于水平铺开的铜箔上，然后依次经洗涤和干燥后，得到铜箔集流体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸银水溶液的制备过程包括：将硝酸银粉末与水混合，进行超声分散，得到硝酸银水溶液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述超声分散的功率为100W，时间为1～2h。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸银水溶液的浓度为100～150mmol/L。
5.权利要求1～4任一项所述制备方法制备得到的铜箔集流体，其特征在于，所述铜箔集流体的表面沉积有银纳米粒子，所述银纳米粒子的粒径为50～80nm。
6.权利要求5所述铜箔集流体作为锂金属二次电池负极集流体的应用。
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