CN213212183U - 亲锂氮掺杂碳纳米管三维复合锂金属负极片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种亲锂氮掺杂碳纳米管三维复合锂金属负极片，包括集流体和锂金属片，所述集流体为微米级碳纤维布和附着在微米级碳纤维布其中一面上的一层氮掺杂碳纳米管亲锂层，氮掺杂碳纳米管亲锂层相对碳纤维布的另一面与锂金属片连接，所述微米级碳纤维布厚度为0.11mm~0.17mm，其内部碳纤维直径为5~10μm，氮掺杂碳纳米管亲锂层的厚度小于100nm，本实用新型提供的负极片可有效抑制锂金属负极在循环过程中无限的体积变化，使用微米级碳纤维布及其表面的亲锂层可以在锂剥离/沉淀过程中诱导成核，有效抑制锂枝晶的形成，进而确保了电池的安全性，同时本新型提供的负极片制备工艺简单，制作成本低，有利于进行大规模生产，具有极高经济价值。

Description

亲锂氮掺杂碳纳米管三维复合锂金属负极片

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种亲锂氮掺杂碳纳米管三维复合锂金属负极片。

背景技术

电池作为目前应用最广泛的一种储能方式，电池种类有很多，但是在电池的能量和功率密度、使用寿命、效率以及成本等方面的差异很大。特别是锂离子电池由于其工作电压高、循环性能好、能量密度和功率密度高及环境友好等特点被作为主要的储能器件广泛使用，目前使用最多的锂离子电池负极材料为石墨，锂金属负极由于拥有高理论比容量（3860 mAh g-1）和低电极电位（相对标准氢电极-3.040 V）方面的优势，被视为“圣杯”电极，是下一代高比能电池负极材料的理想选择之一。

但是由于在锂的沉积/剥离过程中枝晶生长引起的锂金属/液体电解质界面的不稳定性，易造成安全隐患并导致库伦效率降低，所以锂金属电池的商业化是不可行的。枝晶短路会造成热失控和低分子量物质爆炸的危险，包括电池火灾在内的安全问题使得锂金属电池失去了商业市场的机会。一方面，现有的锂金属负极采用纯金属锂片，无三维结构，表面积较小，在锂沉积/剥离的过程中无法容纳多余的锂，容易生长枝晶，造成“死锂”，这种现象导致电池体积膨胀明显，对电池性能影响较大；另一方面，现有的负极表面没有亲锂层，不利于锂的均匀沉积。为应对这种技术缺点，设计三维结构应对锂金属负极在循环过程中的体积变化和锂枝晶形成问题成为主要解决办法之一，三维结构具有较大的表面积，与电解液接触面积较大，可以降低局部电流密度且在电池循环的过程中引导锂的均匀沉积，有效的缓解了枝晶带来的影响。

中国发明专利申请CN109817986A公布了一种基于三维网状铜集流体的锂离子电池制备方法，以三维网状铜作为负极集流体，以常规的石墨、钛酸锂、硅碳作为负极活性材料的前提下，改善了电池的能量密度和倍率性能，同时表现出了优异的循环稳定性，然而三维铜基集流体本身具有憎锂特性，会表现出较大的成核过电势，不利于锂金属的均匀沉积。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种亲锂氮掺杂碳纳米管三维复合锂金属负极片，这种负极片可应用于锂硫、锂氧气电池或全固态电池体系中，可以有效抑制锂金属负极在循环过程中的体积膨胀，表面亲锂层可调控锂的均匀沉积/剥离。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种亲锂氮掺杂碳纳米管三维复合锂金属负极片，包括集流体和锂金属片，所述集流体成片状结构，集流体是由一层微米级碳纤维布，以及设置在微米级碳纤维布一面上的氮掺杂碳纳米管亲锂层组成，所述锂金属片固定在所述微米级碳纤维布的另一面上。

所述微米级碳纤维布厚度为0.11mm~0.17mm，能起到对负极片整体的比较强的支撑作用。

所述微米级碳纤维布内部的碳纤维直径为5-10μm，能在锂金属沉积-剥离的过程中诱导成核，促进锂的均匀沉积，避免锂枝晶的出现。

所述氮掺杂碳纳米管亲锂层为氮掺杂碳纳米管包裹碳纤维结构，氮掺杂碳纳米管是现有的材料，市场中均可购买到。氮掺杂碳纳米管对锂有亲和性，在电池循环中可以促进锂稳定均匀成核，且合成较为简便，成本较低，可以工业化量产。

所述氮掺杂碳纳米管亲锂层的厚度小于100nm，以便于锂金属可进入纳米级氮掺杂碳纳米管内部的孔道中。

所述锂金属片为锂箔，其厚度为0.1mm，作为负极片的活性材料在使用中提供锂离子。

所述集流体和锂金属片按照顺序依次叠加为多叠层结构，能够更加有效的利用电池内部空间，增加能量密度。

所述微米级碳纤维布能够用铜网、镍网、泡沫铜或碳纤维纸等三维导电材料代替。

所述负极片整体结构为圆形、正方形、长方形或三角形，优选使用圆形。

本实用新型的有益效果是：采用三维结构有效抑制锂金属负极在循环过程中无限的体积变化，使用微米级碳纤维布及其表面的亲锂层有效的起到了自支撑作用，可以在锂剥离/沉淀过程中诱导成核，有效抑制锂枝晶和“死锂”的形成，进而确保了电池的安全性，同时本新型提供的负极片制备工艺简单，制作成本低，有利于进行大规模生产，具有极高经济价值。

附图说明

图1是负极片的结构示意图；

图2是集流体的结构示意图；

图3是负极片的制作工艺示意图；

其中，1.集流体、11.微米级碳纤维布、12.氮掺杂碳纳米管亲锂层、2.锂金属片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1和图2所示，一种亲锂碳纳米管三维复合锂金属负极片，包括集流体1和锂金属片2，集流体1是由微米级碳纤维布11和氮掺杂碳纳米管亲锂层12组成，氮掺杂碳纳米管亲锂层12设置在微米级碳纤维布11的一面上，微米级碳纤维布11的厚度为0.11mm~0.17mm，组成微米级碳纤维布11的碳纤维直径为5~10μm，微米级碳纤维布11在支撑负极片的结构的同时在锂金属沉积-剥离过程中诱导成核，也保证电池厚度不会太大，微米级碳纤维布11也能用同规格的铜网、镍网、泡沫铜或碳纤维纸等三维导电材料代替。

氮掺杂碳纳米管亲锂层12由氮掺杂碳纳米管包裹碳纤维制成，氮掺杂碳纳米管亲锂层12的厚度小于100nm，便于锂金属在沉积时能够进入到纳米级氮掺杂碳纳米管内部的孔道中，微米级碳纤维布11没有氮掺杂碳纳米管亲锂层12的一面通过辊压压制固定有锂金属片12，锂金属片12的形态为厚度0.1mm的锂箔，作为负极片的活性材料在使用中提供锂离子。

如图3所示，在生产时，将集流体1和锂金属片堆叠放入对辊机中，能够压制成集流体1和锂金属片2依次排布的双层结构或者多叠层结构，亲锂碳纳米管三维复合锂金属负极片的厚度可以通过对辊机进行调节，亲锂碳纳米管三维复合锂金属负极片的形状能为圆形、正方形、长方形或三角形，便于在电池中使用，本实用新型提供的负极片可应用于锂硫、锂氧气电池中，可以有效地抑制锂金属负极在循环过程中的体积膨胀，表面亲锂层可调控锂金属的均匀沉积/剥离。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，包括集流体和锂金属片，所述集流体是由一层微米级碳纤维布，以及设置在微米级碳纤维布一面上的氮掺杂碳纳米管亲锂层组成，所述锂金属片固定在所述微米级碳纤维布的另一面上。

2.如权利要求1所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述微米级碳纤维布厚度为0.11mm-0.17mm。

3.如权利要求1或2所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述微米级碳纤维布内部的碳纤维直径为5-10μm。

4.如权利要求1所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述氮掺杂碳纳米管亲锂层为氮掺杂碳纳米管包裹碳纤维结构。

5.如权利要求1或4所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述氮掺杂碳纳米管亲锂层的厚度小于100nm。

6.如权利要求1所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述锂金属片为厚度0.1mm的锂箔。

7.如权利要求1所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述集流体和锂金属片按照顺序依次叠加为多叠层结构。

8.如权利要求1所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述微米级碳纤维布能用铜网、镍网、泡沫铜或碳纤维纸代替。

9.如权利要求1所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述负极片整体结构为圆形、长方形或三角形。

10.如权利要求4所述的亲锂氮掺杂碳纳米管复合锂金属负极片，其特征是，所述氮掺杂碳纳米管呈中空管状。

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