CN116093260A - 一种多层结构一体化的碱金属电极、其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多层结构一体化的碱金属电极、其制备方法和应用，属于新能源领域，本发明的多层结构一体化的碱金属电极包括集电体层、过渡层和活性层，可通过过渡层调控电极面容量及电极活性，其具有优异的机械性能、化学和电化学稳定性，制备工序简单且电极中的碱金属含量及分布可灵活调控。本发明制备的锂、钠、钾基碱金属电极作为负极分别用于锂金属电池、钠金属电池、钾金属电池时，可以提升电池性能，具有广阔的应用前景。

Description

一种多层结构一体化的碱金属电极、其制备方法和应用
技术领域
本发明属于新能源领域，更具体地，涉及一种多层结构一体化的碱金属电极、其制备方法和应用。
背景技术
随着智能设备、新能源汽车的普及以及大规模储能设施的建设，开发具有更高能量密度、安全性好的二次电池是市场永恒的追求。以锂离子电池为例，其广泛应用于电动汽车和便携式电子设备上，但传统的锂离子电池已经难以满足实际的应用需求。碱金属锂因其低的氧化还原电位(–3.04Vversus标准氢电极)和高的理论比容量(为3860mAhg-1，是现有石墨负极的十倍以上)，而被视为未来锂电池中最重要的负极材料。与锂类似，碱金属族中的钠(1165mAhg-1，-2.71Vversus标准氢电极)和钾(687mAhg-1，-2.93Vversus标准氢电极)同样是理想的二次电池负极材料。这些碱金属负极有望在下一代的二次金属离子电池、全固态电池、金属-硫电池和金属-气体电池中得到大规模应用，大幅提升电池的能量密度。
然而，在电池的充放电过程中，碱金属表面不均匀的沉积和溶解造成枝晶的生长，容易刺破隔膜引发电池短路等严重的安全隐患；并且碱金属超强的还原性在电极/电解液界面引起大量副反应，消耗电解液和活性碱金属，导致电极充放电效率低以及容量随循环快速衰减。另外，碱金属的无序沉积和溶解过程伴随着电极体积的巨大变化，使电池内部结构破坏而失效。与此同时，现有的商用正极材料比容量较低，当使用碱金属作为负极时，负极比容量远大于正极，而具有合适面容量的碱金属负极难以以常规方式进行制备，且其机械性能无法满足实际电极应用需求。正负极面容量的不匹配不仅会导致活性碱金属利用率的大幅降低，同时也造成电池材料成本上升以及资源的浪费。这些问题极大地制约了碱金属作为高能量密度二次电池电极的实际应用进程。
而基于碱金属基合金的电极，通过引入化学更惰性的其它元素来调节碱金属电极的化学势，可以使沉积有序化和可控化，并降低电极体积的变化，提升电池的电化学性能及安全性。目前，碱金基合金电极通常通过熔融冶炼工艺进行制备，但熔融冶炼需要高温，制备过程对安全性要求较高，难以调节碱金属在碱金属基合金电极的含量与分布。并且，单纯使用碱金属基合金作为电极时，其机械性能难以保障，由于碱金属柔软的质地，电极极易产生褶皱缺陷，影响其电化学性能。
鉴于此，需要开发一种具有优异机械性能、化学和电化学稳定性，能够抑制体积效应，且碱金属分布、电极面容量可灵活调控的碱金属电极，对于将其应用于高能量密度电池负极，使其具有优异电化学性能和安全性，满足实际应用需求有着重要的意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多层结构一体化的碱金属电极、其制备方法和应用，在集电体层上设置过渡层，过渡层上通过原位反应引入碱金属活性成分，制备多层结构一体化的碱金属电极，利用过渡层不同的成分与厚度进行电极面容量、电极活性及电化学性能的调控，本发明制备的碱金属电极具有优异的机械性能、化学和电化学稳定性，且碱金属含量及分布可灵活调控，能满足实际应用需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种多层结构一体化的碱金属电极，其包括集电体层、预制在集电体层的过渡层和由过渡层反应生成的活性层，活性层由过渡层接触活性反应液而自发产生化学反应原位获得，活性反应液中具有能与过渡层发生反应的活性碱金属，过渡层全部或者局部厚度上原位获得活性碱金属而将对应的全部或局部厚度本身转变成活性层，活性层在电池中可以承担负极功能提供电化学活性容量。
进一步的，活性层中具有的活性碱金属为Li、Na、K中的一种或多种。
进一步的，过渡层材料为单质、合金或/和复合材料中的一种或多种，其中，单质为元素L形成的单质，L选自能与碱金属形成合金的Zn、In、Al、Mg、Pb、Sn、Si、Ca、Ag、Au、Ga、Bi、Sb和Ge中的一种或多种。通过改变元素L的种类，可对电极活性及面容量进行调节。这其中的原因是，元素L是能与活性碱金属Li、Na、K发生化学反应的元素，能从活性反应液中“吸收”或者“抓取”活性碱金属，比如，In能与活性碱金属Li反应生成LiIn，发生反应后，In过渡层中吸收了活性碱金属Li的部分就包含有LiIn，LiIn能起到负极的作用，转变成LiIn的这部分厚度就由过渡层变为活性层。又比如Ge也能与Li发生化学反应，从活性反应液中后“吸收”或者“抓取”活性碱金属Li，获得Li4.4Ge，Ge过渡层中转变成为Li4.4Ge的厚度部分转变成为活性层。一个In原子最多只能“抓取”一个Li原子，而一个Ge原子最多能“抓取”4.4个Li原子，因此，能通过调控元素L的种类调控活性层中活性碱金属的含量，而碱金属的含量不同，电极的面容量就不同。
其中，合金为元素L和元素M形成，元素M相对活性反应液具有惰性，元素M选自Cu、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cs、Zr、和Ta中的一种或多种。合金中，元素M的加入能够调控电极成分，降低过渡层在与活性反应溶液接触过程以及后续碱金属沉积溶解过程中电极的体积变化以及面容量。具体原因是，元素M相对活性反应液具有惰性，不与活性碱金属反应，只有其中元素L会从活性反应液中后“吸收”或者“抓取”活性碱金属，因此，可以通过调控元素M与L形成的合金种类，调控元素L在合金的中的含量，进而调控碱金属的含量。由于合金中元素L“抓取”了活性碱金属元素，会造成电极整体体积的膨胀，通过调控合金种类，进而调控元素L的含量，最终，不仅能调控电极的面容量还能调控电极的体积变化。此外，由于惰性元素M不参与反应，在合金中是稳定的，会带来结构上的稳定，最终会带来过渡层和对应活性层的化学稳定性以及结构稳定性。
其中，复合材料为元素L、元素M、元素X中的至少两种复合而成，元素X选自B、C、S、N、P、O和F中的一种或多种。X元素用于提升电极的电化学稳定性。具体的，复合材料中，非金属X能够调节电极软硬度以及表面化学状态，在电池充放电循环过程中在电极表面形成固体电解质界面膜，改善电化学性能。具体原因是，B、C、S、N、P、O这类元素在电池循环过程中能与碱金属离子进行反应，进而在电极表面形成碱金属-非金属固体电解质界面膜，即SEI膜，例如LiF、Li2O、Li3N、Li2S等，其可以促进电极/电解液界面的离子传输和分布，提高电极界面的稳定性，从而有助于提升电极的循环性能和使用寿命，改善电极的电化学性能。
进一步的，过渡层厚度为1nm～80μm。过渡层厚度的设置能起到调节电极面容量的作用。因为，过渡层全部或者局部厚度上原位获得活性碱金属而将对应的全部或局部厚度本身转变成活性层，过渡层越厚，可以得到的活性层就可能越厚，越厚的活性层中包含的活性碱金属就越多，电极的面容量就越大，反之，电极的面容量就越小。根据最终电极面容量的要求，能够通过调节过渡层厚度，实现碱金属含量和电极面容量的灵活调控。
进一步的，集电体层表面具有平面状、凹凸状或/和波浪状的图案，过渡层表面与集电体层表面图案一致。图案一方面能增加电极的比表面积以提供更大的反应界面，从而降低充放电时电极的局域电流密度，使碱金属更均匀的沉积和溶解；另一方面可以增加过渡层与集电体层、活性层与过渡层之间的附着性，还可以缓冲电极在碱金属沉积溶解过程中的体积变化，从而在电池循环过程中电极可以更好保持结构的完整性，不脱落、不开裂粉化。具体的，当集电体具有表面凹凸和花纹时，在蒸镀或者制备过渡层时，其可以增加过渡层与集电体层之间的附着性，使两层结合更紧密，不易脱落，具有较好的机械性能，并且，由于过渡层的厚度比较薄，且均匀覆盖在集电体表面，可以继承和保留与集电体一致的凹凸和花纹，使整个电极具有大的反应比表面；；当过渡层自身具有一定的厚度，可以在制备过渡层时直接通过图案化设计使其自身具有独立的图案，其也可以为电极提供大的表面积，在与活性反应液生成具有3维立体结构的活性层，在后续电池工作时缓冲电极在碱金属沉积溶解过程中的体积变化。此外，不同的表面图案具有不同的表面积，通过改变其表面积还可以起到调节过渡层与活性反应液反应过程中原位吸收活性碱金属量的效果，进而能调控电极面容量。
进一步的，集电体层为金属材料形成的具有良好导电性且自身可独立自支撑的箔、片、薄膜或网状物，金属材料为不锈钢，或者金属材料选自元素Cu、Al、Ti、Ni、Zn的一种或者多种形成的单质、合金或者复合材料。或者，集电体层为具有良好导电性且自身可独立自支撑的碳布、碳毡或碳膜，其材质为碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯、炭黑中的一种或多种。
以上发明构思中，集电体层在整个多层结构一体化电极中起到主要的力学支撑作用，是机械强度的主要来源，其厚度相对较厚，过渡层和活性层总的厚度可以非常薄，过渡层的作用是通过化学反应将自身或者自身的一部分转变成可以提供负极容量的活性层，通过调控过渡层自身的厚度、成分和形貌能间接改变活性层的厚度、成分、形貌以及活性金属的分布，最终起到调控电极面容量、化学稳定性以及机械稳定性的作用，过渡层的厚度、成分和形貌能自由灵活的调控。
按照本发明的第二个方面，还提供上述碱金属电极的制备方法，先制备集电体层，再在集电体层上采用一步或多步溅射、蒸镀、电镀、压制、涂覆的方式制备具有设定形状的过渡层，然后将过渡层与具有活性碱金属的活性反应液进行接触，并保持设定时长的接触，或者将具有活性碱金属的活性反应液滴涂在过渡层上并持续设定时长，过渡层中吸收获得活性碱金属而将自身吸收了活性碱金属的部分原位变成活性层。活性反应液与空气、水不会剧烈反应，且与过渡层反应时较为温和，具有较好的操作安全性。
以上发明构思中，过渡层的制备方式极为灵活，可以采用溅射、蒸镀、电镀、压制、涂覆等多种方式。这样灵活的制备方式，能制备形貌、结构、成分和分布都灵活多样的过渡层，间接的，即为能制备形貌、结构、成分和分布灵活多种的活性层。为了使过渡层与集电体层结合更紧密，形成一体化结构，并调控过渡层厚度以及电池充放电循环过程中电极反应界面的体积变化，所述过渡层结构可以与集电体表面结构一致，或通过溅射、蒸镀、电镀、压制、涂覆的方式在制备过程中一并设计并获得单独的图案结构。具体的，无论集电体层的形貌如何，可以独立制备过渡层的形貌，比如制备成平面状、凹凸状或/和波浪状，与集电体形貌保持一致，或者制备成自己独有的形状。又比如，可以制备一层Ge过渡层，再在Ge过渡成上制备一层In过渡层，可以根据需要改变层数，形貌和成分，都是可能实现的，非常灵活。
进一步的，通过调控过渡层的成分、过渡层的厚度以及调控过渡层与活性反应液接触时长，调控活性层的厚度以及活性层中包含的活性碱金属含量。具体的，当过渡层中能与活性碱金属Li、Na、K发生化学反应的元素L含量较多时，其能从活性反应液中“吸收”或者“抓取”活性碱金属的量越多，活性层中包含的活性碱金属含量越多，电极的面容量就越大，反之，电极的面容量就越小。当过渡层中相对活性反应液具有惰性的元素M含量较多时，由于元素M不与活性碱金属反应，所以其能从活性反应液中“吸收”或者“抓取”活性碱金属的量较少，活性层中包含的活性碱金属含量越小，电极的面容量就越小，反之，电极的面容量就越大。过渡层厚度的设置能起到调节电极面容量的作用。因为，过渡层全部或者局部厚度上原位获得活性碱金属而将对应的全部或局部厚度本身转变成活性层，过渡层越厚，可以得到的活性层就可能越厚，越厚的活性层中包含的活性碱金属就越多，电极的面容量就越大，反之，电极的面容量就越小。另外，过渡层与活性反应液接触时长越长时，其反应时间越长，能从活性反应液中“吸收”或者“抓取”活性碱金属的量越多，活性层中包含的活性碱金属含量越多，电极的面容量就越大，反之，电极的面容量就越小。活性电解液中碱金属的浓度越大时，过渡层从其中能够“吸收”或者“抓取”活性碱金属的量也越多，活性层的形成越容易、容量也越大。
进一步的，活性反应液包括络合溶质和有机溶剂，络合溶质由络合金属Y和络合剂形成，络合金属Y为Li、Na、K的一种或者多种，络合溶质溶解在有机溶剂中，
络合剂选自萘及其衍生物、联苯及其衍生物、蒽及其衍生物、菲及其衍生物、芘及其衍生物、并四苯及其衍生物中的一种或多种，
有机溶剂选自乙二醇二甲醚、四氢呋喃、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚中的一种或多种。
按照本发明的第三个方面，还提供如上所述的碱金属电极的应用，活性层含有碱金属Li时，用于锂离子电池；活性层含有碱金属Na时，用于钠离子电池；活性层含有碱金属K时，用于钾离子电池。
本发明中，通过在集电体层上预制过渡层，然后通过活性反应溶液与过渡层进行接触反应引入碱金属成分，原位生成活性层，形成多层结构一体化的碱金属电极。通过多层结构一体化设计，集电体层为电极提供优异的机械性能，过渡层提升了碱金属电极的化学和电化学稳定性，原位生成的活性层使得碱金属面容量可灵活调控。作为电极，其需要有良好的导电性和机械性能，因此所述集电体层为具有良好导电性且自身可独立自支撑的箔、片、薄膜或网状物，材料选自Cu、Al、Ti、Ni、Zn、不锈钢中的一种或多种，或包括但不限于由碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯、炭黑中的一种或多种组成的碳布、碳毡、碳膜。
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，本发明的方法和产品具有极高的工程应用价值，具体具有以下有益效果：
(1)在本发明中，通过多层结构一体化设计碱金属电极，避免了单纯使用碱金属或者碱金属基合金作为电极时，电极机械性能难以保障、进而影响其电化学性能的问题，通过多层结构一体化设计，能够提高电极机械强度，满足实际应用需求。与此同时，通过过渡层制备过程的调控，可以实现活性层厚度的任意调控，能降低电极体积的变化。过渡层成分可调，能够实现电极碱金属含量和活性的调节，还能根据实际需求调控电极面容量。
(2)在本发明中，使用液相溶液反应制备碱金属活性层，避免了传统制备碱金属合金采用的熔融冶炼方法以及其带来的难以调节碱金属含量与分布问题，还能克服熔融冶炼方法带来的安全问题，本发明方法简单易行，时间周期短，不需要精密昂贵的生产设备，碱金属化程度可控，安全性强。
(3)在本发明中，多层结构一体化的碱金属电极引入了化学更惰性的其它元素形成碱金属基合金来调节碱金属电极的化学势和活性，使电池在循环过程中碱金属的沉积有序化和可控化，并降低电极体积的变化，多层结构一体化的碱金属电极作为电池负极使用时可以提升电池电化学性能，还能提升安全性，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的示意图，其集电体层、过渡层和活性层均为平面状。
图2是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的示意图，其中，集电体层为平面形状，过渡层具有独立凹凸图案形状。
图3是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的示意图，其中，集电体层具有凹凸图案形状，过渡层具有与集电体层相同的凹凸图案形状。
图4是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的制备流程图。
图5是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的具有凹凸图案形状的碱金属电极的扫描电子显微镜SEM图。
图6是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的具有网状图案的碱金属电极的扫描电子显微镜SEM图。
图7是本发明一个实施例提供的纯铟过渡层进行接触反应制备活性层前后的XRD对比图。
图8是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的XRD图。
图9是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极进行充电后得到的碱金属面容量曲线。
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。
本发明提供一种多层结构一体化的锂、钠、钾基碱金属电极其制备方法和应用，碱金属电极包括集电体层、过渡层和活性层，在集电体层上预制过渡层，并在过渡层上通过一步反应原位引入碱金属活性成分，制备多层结构一体化的碱金属电极，利用过渡层不同的成分与厚度进行电极面容量、电极活性及电化学性能的调控。本发明制备的碱金属电极具有优异的机械性能、化学和电化学稳定性，且碱金属含量及分布可任意调控，满足实际应用需求。
图1是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的示意图，其集电体层、过渡层和活性层均为平面状。图2是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的示意图，其中，集电体层为平面形状，过渡层具有独立凹凸图案形状。图3是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的示意图，其中，集电体层具有凹凸图案形状，过渡层具有与集电体层相同的凹凸图案形状。图4是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的制备流程图，结合图1、图2、图3和图4可知，本发明提供的一种多层结构一体化的锂、钠、钾基碱金属电极及其制备方法包括以下步骤：
先制备集电体层，然后，通过一步或多步溅射、蒸镀、电镀、压制、涂覆的方式制备过渡层，过渡层与集电体层牢固结合。最后，将活性反应液与过渡层进行接触反应制备活性层，得到多层结构一体化的碱金属电极。
以上方法中，所述集电体层为具有良好导电性且自身可独立自支撑的箔、片、薄膜或网状物，材料选自Cu、Al、Ti、Ni、Zn、不锈钢中的一种或多种，或包括但不限于由碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯、炭黑中的一种或多种组成的碳布、碳毡、碳膜。根据最终电极的要求，所述集电体表面为包括但不限于平面、凹凸、波浪状的图案结构中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，过渡层材料选自单质、合金和金属/非金属复合而成的复合材料中的一种或多种，其中，单质是元素L组成的，其中元素L包括可与碱金属形成合金的Zn、In、Al、Mg、Pb、Sn、Si、Ca、Ag、Au、Ga、Bi、Sb和Ge中的一种或多种，合金材料包括元素L和元素M形成的合金材料，其中，元素M包括Cu、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cs、Zr、和Ta中的一种或多种。金属/非金属复合材料包括金属L/非金属X复合材料或金属L/金属M/非金属X复合材料，其中，元素X包括B、C、S、N、P、O和F中的一种或多种。所述过渡层结构可以与集电体表面结构一致，或通过溅射、蒸镀、电镀、压制、涂覆的方式制备获得单独的图案结构。
活性层为含有活性碱金属的合金，其中，活性碱金属为元素Y形成，元素Y选自Li、Na、K中的一种或多种。所述活性层通过将带有过渡层的集电体与活性反应液进行接触反应原位生成，其中，所述活性反应液包括络合溶质和有机溶剂，络合溶质由络合金属Y和络合剂组成，络合溶质溶解在有机溶剂中，络合剂选自萘及其衍生物、联苯及其衍生物、蒽及其衍生物、菲及其衍生物、芘及其衍生物、并四苯及其衍生物中的一种或多种，有机溶剂选自乙二醇二甲醚、四氢呋喃、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚中的一种或多种。
实际上，络合剂也不限于以上几种，只要满足以下条件都能用作络合剂：(1)一种多环芳烃；(2)可以接收碱金属的电子形成稳定的自由基阴离子。有机溶剂也不限于以上几种，只要满足以下条件也可以作为有机溶剂：溶剂可以溶解络合剂且不会与碱金属发生反应。
为了更详细的说明本发明方法，下面结合具体实施例进一步详细阐述。
实施例1
在保护性气氛中，在厚度为5μm的铜箔集电体表面，采用蒸镀的方式蒸镀100nm纯铟在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯铟过渡层的铜箔铺展开，向含有纯铟过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯铟过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.8mAh/cm2。电极与锰酸锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到115mAh g-1，且循环50周后几乎保持不变。
实施例2
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铝箔集电体表面，采用溅射的方式溅射1nm纯铟在铝箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯铟过渡层的铝箔铺展开，向其含有纯铟过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯铟过渡层反应1min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.01mAh/cm2。电极与锰酸锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到110mAhg-1，且循环100周后几乎保持不变。
实施例3
在保护性气氛中，在厚度为20μm的钛箔集电体表面，采用溅射的方式溅射2nm纯银在钛箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯银过渡层的钛箔铺展开，向其含有纯银过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯银过渡层反应3min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.02mAh/cm2。电极与锰酸锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到112mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例4
在保护性气氛中，在厚度为50μm的不锈钢箔集电体表面，采用溅射的方式溅射4nm纯锌在不锈钢箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯锌过渡层的不锈钢箔铺展开，向其含有纯锌过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯锌过渡层反应5min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.1mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例5
在保护性气氛中，在厚度为30μm的镍箔集电体表面，采用溅射的方式溅射6nm纯铋在镍箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯铋过渡层的镍箔铺展开，向其含有纯铋过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯铋过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.1mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到158mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例6
在保护性气氛中，在厚度为12μm的铝箔集电体表面，采用压制的方式压制15μm纯铟在铝箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯铟过渡层的铝箔铺展开，向其含有纯铟过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯铟过渡层反应20min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为3mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例7
在保护性气氛中，在碳纳米管膜表面，采用蒸镀的方式蒸镀8nm纯金在碳纳米管膜表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯金过渡层的碳纳米管膜铺展开，向其含有纯金过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯金过渡层反应30min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.06mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到155mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例8
在保护性气氛中，在厚度为100μm的铜箔集电体表面，采用蒸镀的方式蒸镀10nm纯锡在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯锡过渡层的铜箔铺展开，向其含有纯锡过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯锡过渡层反应40min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.2mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环500周后几乎保持不变。
实施例9
在保护性气氛中，在厚度为200μm的铜箔集电体表面，采用共蒸镀的方式共蒸镀12nm锑和磷在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有锑和磷过渡层的铜箔铺展开，向其含有锑和磷过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与锑和磷过渡层反应60min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.06mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到162mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例10
在保护性气氛中，在厚度为500μm的铜箔集电体表面，采用蒸镀的方式先蒸镀50nm银、再蒸镀50nm锡在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有银和锡过渡层的铜箔铺展开，向其含有银和锡过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与银和锡过渡层反应60min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.4mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例11
在保护性气氛中，在厚度为10μm的碳布集电体表面，采用蒸镀的方式先蒸镀5nm锗、再蒸镀20nm磷在碳布表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有锗和磷过渡层的碳布铺展开，向其含有锗和磷过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与锗和磷过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.1mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例12
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用蒸镀的方式蒸镀3μm铟在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铟过渡层的铜箔铺展开，向其含有铟过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟过渡层反应30min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为1mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到155mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例13
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制8μm铝在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铝过渡层的铜箔铺展开，向其含有铝过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铝过渡层反应30min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为3mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到155mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例14
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制12μm铝在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铝过渡层的铜箔铺展开，向其含有铝过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铝过渡层反应20min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为4mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到151mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例15
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用电镀的方式电镀20μm铝在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铝过渡层的铜箔铺展开，向其含有铝过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铝过渡层反应20min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为5mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到156mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例16
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制30μm锑在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.5mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有锑过渡层的铜箔铺展开，向其含有锑过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与锑过渡层反应30min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为3mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到156mAhg-1，且循环250周后几乎保持不变。
实施例17
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制40μm镁在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.5mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有镁过渡层的铜箔铺展开，向其含有镁过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与镁过渡层反应30min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为4mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到153mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例18
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制50μm锑在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有锑过渡层的铜箔铺展开，向其含有锑过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与锑过渡层反应30min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为5mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到156mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例19
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制60μm锗在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.5mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有锗过渡层的铜箔铺展开，向其含有锗过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与锗过渡层反应30min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为15mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到156mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例20
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制70μm锗在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制3mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有锗过渡层的铜箔铺展开，向其含有锗过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与锗过渡层反应60min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为20mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到156mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例21
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制80μm镁在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.5mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有镁过渡层的铜箔铺展开，向其含有镁过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与镁过渡层反应60min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为10mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到150mAhg-1，且循环400周后几乎保持不变。
实施例22
在保护性气氛中，在厚度为20μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制75μm铟在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铟过渡层的铜箔铺展开，向其含有铟过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟过渡层反应45min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为15mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到154mAhg-1，且循环400周后几乎保持不变。
实施例23
在保护性气氛中，在厚度为1μm的碳布集电体表面，采用蒸镀的方式蒸镀5nm铟在碳布表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铟过渡层的碳布铺展开，向其含有铟过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.05mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到155mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例24
在保护性气氛中，在厚度为1μm的碳布集电体表面，采用蒸镀的方式先蒸镀5nm铟、再蒸镀50nm硫在碳布表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铟和硫过渡层的碳布铺展开，向其含有铟和硫过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟和硫过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.06mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到158mAhg-1，且循环300周后几乎保持不变。
实施例25
在保护性气氛中，在厚度为1μm的平面碳布集电体表面，采用蒸镀的方式先蒸镀5nm铟、再蒸镀50nm硫在碳布表面作为过渡层，其中过渡层蒸镀为波浪状；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铟和硫过渡层的碳布铺展开，向其含有铟和硫过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟和硫过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.07mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到158mAhg-1，且循环400周后几乎保持不变。
实施例26
在保护性气氛中，在厚度为1μm的网状碳布集电体表面，采用蒸镀的方式先蒸镀5nm铟、再蒸镀50nm硫在碳布表面作为过渡层，其中过渡层也为网状；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铟和硫过渡层的碳布铺展开，向其含有铟和硫过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟和硫过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.08mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环400周后几乎保持不变。
实施例27
在保护性气氛中，在厚度为500nm的碳布表面，采用蒸镀的方式先蒸镀30nm镓在铜箔表面，再经过氟气氛围中，形成过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.3mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有镓和氟过渡层的碳布铺展开，向其含有镓和氟过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与镓和氟过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.1mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环180周后几乎保持不变。
实施例28
在保护性气氛中，在厚度为10μm的铜箔表面，采用蒸镀的方式先蒸镀1μm硅在铜箔表面，再经过氧气氛围中，形成过渡层；称量一定量的钠和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.4mol/L钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有硅和氧过渡层的铜箔铺展开，向其含有硅和氧过渡层的表面滴钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与硅和氧过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为1mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到120mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例29
在保护性气氛中，在厚度为8μm的铜箔集电体表面，采用电子束蒸发的方式蒸发50nm锡和镍在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的钠和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制0.5mol/L钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有锡和镍过渡层的铜箔铺展开，向其含有锡和镍过渡层的表面滴钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟和镍过渡层反应5min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.03mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到110mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例30
在保护性气氛中，在厚度为8μm的铜箔集电体表面，采用溅射的方式先溅射10nm锌，再溅射1nm金在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的钾和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制1mol/L钾-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有金和锌过渡层的铜箔铺展开，向其含有金和银过渡层的表面滴钾-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与金和锌过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.04mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到120mAhg-1，且循环150周后几乎保持不变。
实施例31
在保护性气氛中，在厚度为8μm的铜箔集电体表面，采用压制的方式压制10μm纯银在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制2mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯银过渡层的铜箔铺展开，向其含有纯银过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯银过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为2mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到125mAh g-1，且循环250周后几乎保持不变。
实施例32
在保护性气氛中，在厚度为30μm的铜箔集电体表面，采用涂覆的方式涂覆5μm铟和碳复合材料在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制3mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有铟和碳复合材料过渡层的铜箔铺展开，向其含有铟和碳复合材料过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与铟和碳复合材料过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为1mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例33
在保护性气氛中，在厚度为70μm的具有波纹状图案的铜箔集电体表面，采用蒸镀的方式蒸镀100nm纯金在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的锂和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制5mol/L锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯金过渡层的铜箔铺展开，向其含有纯金过渡层的表面滴锂-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯金过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.5mAh/cm2。电极与磷酸铁锂正极组装成全电池，可逆容量可以达到160mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例34
在保护性气氛中，在厚度为200μm的铜箔集电体表面，采用溅射的方式溅射200nm具有网状图案的纯铟在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的钠和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制6mol/L钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯铟过渡层的铜箔铺展开，向其含有纯铟过渡层的表面滴钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯铟过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.5mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到130mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例35
在保护性气氛中，在厚度为8μm的铜箔集电体表面，采用电化学镀的方式电化学镀2μm纯锡在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的钠和萘，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制8mol/L钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯钠过渡层的铜箔铺展开，向其含有纯锡过渡层的表面滴钠-萘/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯锡过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为1mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到128mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例36
在保护性气氛中，在厚度为8μm的铜箔集电体表面，采用蒸镀的方式蒸镀500nm纯锌在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的钾和联苯，将其均匀地溶于一定量的乙二醇二甲醚中，配制9mol/L钾-联苯/乙二醇二甲醚有机溶液。将含有纯锌过渡层的铜箔铺展开，向其含有纯锌过渡层的表面滴钾-联苯/乙二醇二甲醚有机溶液，使其与纯锌过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.5mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到130mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
实施例37
在保护性气氛中，在厚度为100μm的铜箔集电体表面，采用蒸镀的方式蒸镀800nm纯锌在铜箔表面作为过渡层；称量一定量的钾和萘，将其均匀地溶于一定量的四氢呋喃中，配制10mol/L钾-萘/四氢呋喃有机溶液。将含有纯锌过渡层的铜箔铺展开，向其含有纯锌过渡层的表面滴钾-萘/四氢呋喃有机溶液，使其与纯锌过渡层反应10min，得到多层结构一体化的碱金属电极,面容量为0.8mAh/cm2。电极与普鲁士蓝正极组装成全电池，可逆容量可以达到125mAhg-1，且循环200周后几乎保持不变。
下面以表格的形式进一步列举实施例，以进一步详细说明本发明的电极，制备方法和应用。
表1为实施例中不同集电体层、过渡层及其厚度以及液相溶液制备得到不同碱金属含量的碱金属电极的详细数据
Figure BDA0004048522610000221
Figure BDA0004048522610000231
Figure BDA0004048522610000241
图5是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的扫描电子显微镜SEM图，其表面具有网状图案。
图6是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的扫描电子显微镜SEM图，其表面具有凹凸图案形状。
图7是本发明一个实施例提供的纯铟过渡层进行接触反应制备活性层前后的XRD对比图，由图可知，纯铟过渡层在与锂-萘/乙二醇二甲醚溶液进行接触反应后得到具有铟锂合金相的活性层。
图8是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的XRD图，其中，集电体层为铜箔，预制在集电体层的过渡层为纯铟，与锂-萘/乙二醇二甲醚溶液进行接触反应后得到具有铟锂合金相的活性层。
图9是本发明一个实施例提供的多层结构一体化的碱金属电极的进行充电后得到的碱金属面容量曲线，由图可知，得到的碱金属电极中的碱金属面容量为3mAhcm-2，相对较高。
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 (10)

1.一种多层结构一体化的碱金属电极，其特征在于，其包括集电体层、预制在集电体层的过渡层和由过渡层反应生成的活性层，活性层由过渡层接触活性反应液而自发产生原位化学反应获得，活性反应液中具有能与过渡层发生反应的活性碱金属，过渡层全部或者局部厚度上原位获得活性碱金属而将对应的全部或局部厚度本身转变成活性层，活性层在电池中能提供容量从而承担负极功能。
2.如权利要求1所述的一种多层结构一体化的碱金属电极，其特征在于，活性层中具有的活性碱金属为Li、Na、K中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的一种多层结构一体化的碱金属电极，其特征在于，过渡层材料为单质、合金或/和复合材料中的一种或多种，其中，
单质为元素L形成的单质，L选自能与碱金属形成合金的Zn、In、Al、Mg、Pb、Sn、Si、Ca、Ag、Au、Ga、Bi、Sb和Ge中的一种或多种，
合金为元素L和元素M形成，元素M选自Cu、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cs、Zr和Ta中的一种或多种，元素M相对活性反应液具有惰性，
复合材料为元素L、元素M、元素X中的至少两种复合而成，元素X选自B、C、S、N、P、O和F中的一种或多种，X元素用于提升电极的电化学稳定性。
4.如权利要求1所述的一种多层结构一体化的碱金属电极，其特征在于，过渡层厚度为1nm～80μm。
5.如权利要求4所述的一种多层结构一体化的碱金属电极，其特征在于，集电体层表面具有平面状、凹凸状或/和波浪状的图案，过渡层表面与集电体层表面图案一致或者过渡层表面具有自身独有的图案。
6.如权利要求1-5任一所述的一种多层结构一体化的碱金属电极，其特征在于，集电体层为金属材料形成的具有良好导电性且自身可独立自支撑的箔、片、薄膜或网状物，金属材料为不锈钢，或者金属材料选自元素Cu、Al、Ti、Ni、Zn的一种或者多种形成的单质、合金或者复合材料，或者，
集电体层为具有良好导电性且自身可独立自支撑的碳布、碳毡或碳膜，其材质为碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯、炭黑中的一种或多种。
7.制备如权利要求1-6任一所述的碱金属电极的方法，其特征在于，
先制备集电体层，再在集电体层上采用一步或多步溅射、蒸镀、电镀、压制、涂覆的方式制备具有设定图案的过渡层，然后将过渡层与含有活性碱金属的活性反应液进行接触或者浸泡，并持续保持特定时长的接触，或者将含有活性碱金属的活性反应液滴涂在过渡层上并持续设定时长，过渡层中吸收获得活性碱金属而将自身吸收了活性碱金属的部分原位变成活性层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过调控过渡层的成分、过渡层的厚度、活性反应液的浓度以及调控过渡层与活性反应液接触时长，调控活性层的厚度以及活性层中包含的活性碱金属含量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，活性反应液包括络合溶质和有机溶剂，络合溶质由络合金属Y和络合剂形成，络合金属Y为Li、Na、K的一种或者多种，络合溶质溶解在有机溶剂中，
络合剂选自萘及其衍生物、联苯及其衍生物、蒽及其衍生物、菲及其衍生物、芘及其衍生物、并四苯及其衍生物中的一种或多种，
有机溶剂选自乙二醇二甲醚、四氢呋喃、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚中的一种或多种。
10.如权利要求1-6任一所述的碱金属电极的应用，其特征在于，活性层含有碱金属Li时，用于锂离子电池；活性层含有碱金属Na时，用于钠离子电池；活性层含有碱金属K时，用于钾离子电池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117845202A (zh) * 2024-03-08 2024-04-09 西北工业大学 一种化学预钠化诱导的复合集流体的制备方法及其应用

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