CN111370691B - 一种锂离子电池负极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属锂电池负极材料领域,并具体公开了一种锂离子电池负极及其制备方法,该锂离子电池负极包括基底和改性材料,其中,所述基底为铜单质,所述改性材料为所述铜单质表面原位生成的硫族铜化合物。锂离子电池负极的制备方法,包括如下步骤:将铜单质置于反应器中并进行加热,然后通过吹扫气体将硫族物质粉末通入反应器中,硫族物质粉末与铜单质发生反应,使铜单质表面原位生成均匀的硫族铜化合物,完成锂离子电池负极的制备。本发明解决了锂离子电池中锂离子不均匀沉积的问题,提高锂离子电池的循环稳定性,同时可以降低锂离子的形核过电位,有利于锂离子成核。
Description
技术领域
本发明属于金属锂电池负极材料领域,更具体地,涉及一种锂离子电池负极及其制备方法。
背景技术
实现均匀稳定的锂沉积是获得理想锂金属负极的关键,该锂金属负极具有较高的理论比容量(可达3860mAh/g),较低的氧化还原电势(相对于标准氢电极为3.04V)和低密度,有望在下一代高能量密度电池中使用。
但是,锂离子的不均匀沉积会导致电极表面形成树枝状或苔藓状的枝晶结构,导致库伦效率降低,循环寿命缩短。当锂枝晶不断生长至刺穿隔膜后,还会引起电池的热失控甚至起火爆炸,引发严重的安全问题。另外,与石墨和硅负极不同,金属锂负极的相对体积变化实际上是无限的,这又会导致电极的结构在循环过程中崩塌。为了解决上述问题,目前研究者们已经发展多种方法来稳定循环过程中的锂沉积,例如三维集流体,改性固态电解质中间相层(SEI膜),建立人工保护层或者使用电解液添加剂,但上述方法均存在工艺较为复杂且质量不稳定的问题,故亟需一种解决锂离子电池中锂离子不均匀沉积问题的材料和方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种锂离子电池负极及其制备方法,其目的在于,采用热处理在铜单质表面通过原位合成法生成的硫族铜化合物,以其作为锂离子电池负极,解决锂离子电池中锂离子不均匀沉积的问题,提高锂离子电池的循环稳定性。
为实现上述目的,按照本发明的一方面,提出了一种锂离子电池负极,其包括基底和改性材料,其中,所述基底为铜单质,所述改性材料为所述铜单质表面原位生成的硫族铜化合物。
作为进一步优选的,所述铜单质为铜箔、铜网或泡沫铜。
作为进一步优选的,所述硫族铜化合物为铜硫化合物、铜硒化合物或铜碲化合物。
作为进一步优选的,所述铜硫化合物为CuxS,所述铜硒化合物为CuxSe,所述铜碲化合物为CuxTe,且0<x≤3。
按照本发明的另一方面,提供了一种上述锂离子电池负极的制备方法,包括如下步骤:
将铜单质置于反应器中并进行加热,然后通过吹扫气体将硫族物质粉末通入反应器中,硫族物质粉末与铜单质发生反应,使铜单质表面原位生成均匀的硫族铜化合物,完成锂离子电池负极的制备。
作为进一步优选的,所述硫族物质粉末为硫粉、硒粉或碲粉。
作为进一步优选的,所述吹扫气体为氩气或氮气。
作为进一步优选的,所述吹扫气体流速为20ml/min~100ml/min。
作为进一步优选的,所述反应器为管式炉。
作为进一步优选的,加热温度为100℃~1000℃,加热时间为1min~60min。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:
1.本发明所制备的含硫族铜化合物的铜负极适用于组装各种锂离子电池,如硫化锂电池、锰酸锂电池和钠钴氧电池,其能诱导锂离子的均匀沉积,避免锂枝晶生长,从而有效提高锂离子电池的库伦效率,提高锂离子电池的循环稳定性,此外,通过采用含硫族铜化合物的铜单质材料作为锂离子电池的负极,可以降低锂离子的形核过电位,有利于锂离子成核。
2.本发明采用热处理方法将硫族铜化合物原位生成于铜单质材料表面,工艺简单可规模化生产,并且原位获得的硫族铜化合物改性材料与基底铜单质材料具有高界面结合强度,避免了基底铜单质材料与硫族铜化合物改性材料之间的脱落情况,提高了改性材料的机械变形稳定性能,有利于电池在恶劣环境下的正常使用。
3.本发明在热处理过程中选择保护气氛稳定流速吹扫方式,使得硫族铜化合物改性材料均匀分布在铜单质材料表面。
附图说明
图1是本发明实施例采用的改性前铜箔示意图;
图2是本发明实施例1制备得到的改性后铜箔示意图;
图3是本发明实施例3中经铜硒化合物改性后的铜箔与对比例中铜箔的X射线衍射(XRD)对比图;
图4是本发明实施例4经铜硒化合物改性后的铜箔的表面显微结构示意图;
图5是按照本发明实施例4所构建的与对比例中电池的形核过电位的对比图;
图6是按照本发明实施例5所构建的与对比例中电池在醚类电解液中的循环库伦效率的对比图;
图7是按照本发明实施例5所构建的与对比例中电池在酯类电解液中的循环库伦效率的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种锂离子电池负极,其包括基底和改性材料,其中,所述基底为铜单质,所述改性材料为所述铜单质表面原位生成的硫族铜化合物。
进一步的,所述铜单质为铜箔、铜网或泡沫铜。
进一步的,所述硫族铜化合物为铜硫化合物CuxS、铜硒化合物CuxSe或铜碲化合物CuxTe,且组分x值优选为0<x≤3。
上述锂离子电池负极的制备方法,包括如下步骤:
将铜单质置于反应器中并进行加热,然后通过吹扫气体将硫族物质粉末通入反应器中,硫族物质粉末与铜单质发生反应,使铜单质表面原位生成均匀的硫族铜化合物,完成锂离子电池负极的制备。
进一步的,所述硫族物质粉末为硫粉、硒粉或碲粉;所述吹扫气体为氩气或氮气,其流速为20ml/min~100ml/min;所述反应器为管式炉。
优选的,加热温度为100℃~1000℃,进一步优选为400℃~800℃,加热时间为1min~60min,进一步优选为5min~20min。
以下为具体实施例:
实施例1
准确称量Se粉0.1505g,均匀分撒于瓷舟中,将该瓷舟置于管式炉的进气口处,同时将图1所示的铜箔置于管式炉中间部位,将加热温度和加热时间分别调节至600℃和5min时,采用Ar气氛,流速40ml/min,得到分布均匀的铜箔改性材料,如图2所示。
实施例2
准确称量Se粉0.0502g,均匀分撒于瓷舟中,同时将泡沫铜置于瓷舟中,再使用铜箔包裹瓷舟,将其置于管式炉中间,将加热温度和加热时间分别调节至600℃和10min时,采用Ar气氛,流速60ml/min,得到分布均匀的含有铜硒化合物的铜箔和含有铜硒化合物的泡沫铜。
实施例3
准确称量Se粉0.1490g,均匀分撒于瓷舟中,将该瓷舟置于管式炉的进气口处,同时将铜箔置于管式炉中间部位,将加热温度和加热时间分别调节至600℃和10min时,采用Ar气氛,流速40ml/min,得到分布均匀的铜箔改性材料。所得到的含有铜硒化合物的铜箔经XRD分析,明显观察到Cu2Se特征衍射峰,如图3所示。
实施例4
准确称量Se粉0.1498g,均匀分撒于瓷舟中,将该瓷舟置于管式炉的进气口处,同时将铜箔置于管式炉中间部位,将加热温度和加热时间分别调节至600℃和10min时,采用Ar气氛,流速40ml/min,得到分布均匀的铜箔改性材料。所得到的含有铜硒化合物的铜箔经场发射扫描电镜观察,如图4所示,表面显微结构表明Cu2Se以岛状均匀生长于铜箔表面。将其与12mm的锂片组装电池,电解液为有机醚类电解液,隔膜为商业锂电池使用的聚丙烯隔膜。电池静置8h后测试,测试条件为电流密度为1mA/cm2,容量为1mAh/cm2,测试结果如图5所示。
实施例5
准确称量Se粉0.1498g,均匀分撒于瓷舟中,将该瓷舟置于管式炉的进气口处,同时将铜箔置于管式炉中间部位,将加热温度和加热时间分别调节至600℃和10min时,采用Ar气氛,流速40ml/min,得到分布均匀的铜箔改性材料。将其与12mm的锂片组装电池,电解液为有机醚类电解液或酯类电解液,隔膜为商业锂电池使用的聚丙烯隔膜。电池静置8h后测试,测试条件为电流密度为1mA/cm2,容量为1mAh/cm2,测试结果如图6和图7所示。
下面利用上述实施例中含有铜硒化合物改性材料的电池与具体对比例进行对比,详细说明本发明提供的负极改性材料的有益效果。
对比例
商业锂电池使用的铜箔,将其冲压得到直径为12mm的铜箔,与12mm的锂片组装电池,电解液为有机醚类电解液或酯类电解液,隔膜为商业锂电池使用的聚丙烯隔膜。
如图5所示,为实施例4与对比例的首圈形核过电位的对比图,可以看出实施例4使用含有铜硒化合物改性材料可以有效降低形核过电位,提高锂离子在负极的沉积。
如图6所示,为实施例5与对比例样品在醚类电解液中的库伦效率的对比图,可以看出实施例5使用含有铜硒化合物改性材料可以有效避免锂枝晶生长,提高锂离子电池的循环稳定性,并且库伦效率明显高于对比例的库伦效率,循环稳定性优于对比例。
如图7所示,为实施例5与对比例样品在酯类电解液中的库伦效率的对比图,可以看出实施例5使用含有铜硒化合物改性材料可以有效避免锂枝晶生长,提高锂离子电池的循环稳定性,并且库伦效率明显高于对比例的库伦效率,循环稳定性远远优于对比例。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种锂离子电池负极的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将铜单质置于反应器中并进行加热,然后通过吹扫气体将硫族物质粉末通入反应器中,硫族物质粉末与铜单质发生反应,使铜单质表面原位生成均匀的硫族铜化合物,完成锂离子电池负极的制备;所述吹扫气体流速为20ml/min~40ml/min,加热温度为600℃~1000℃,加热时间为5min~20min,所述硫族化合物为铜硒化合物,所述铜单质为铜箔、铜网或泡沫铜。
2.如权利要求1所述的锂离子电池负极的制备方法,其特征在于,所述硫族物质粉末为硒粉。
3.如权利要求1所述的锂离子电池负极的制备方法,其特征在于,所述吹扫气体为氩气或氮气。
4.如权利要求1所述的锂离子电池负极的制备方法,其特征在于,所述反应器为管式炉。
5.一种采用如权利要求1-4任一项所述的制备方法制备而成的锂离子电池负极,其特征在于,包括基底和改性材料,其中,所述基底为铜单质,所述改性材料为所述铜单质表面原位生成的硫族铜化合物。
6.如权利要求5所述的锂离子电池负极,其特征在于,所述铜单质为铜箔、铜网或泡沫铜。
7.如权利要求5所述的锂离子电池负极,其特征在于,所述硫族铜化合物为铜硒化合物。
8.如权利要求7所述的锂离子电池负极,其特征在于,所述铜硒化合物为Cu x Se且0<x≤3。
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