一種負極集流體、電池負極、電池及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種負極集流體、電池負極、電池及其制備方法。負極集流體的制備方法包括以下步驟：S1，以銅箔或鎳箔為集流體基材本體，采用熱壓工藝或涂膜技術在所述基材本體的上下表面均覆上一層高分子樹脂膜，得到上下表面均設置有高分子樹脂膜的基材；S2，通過激光打孔工藝或光刻打孔工藝在所述基材本體上表面的高分子樹脂膜上打出陣列分布的凹坑結構；S3，將步驟S2處理后的基材清洗干凈后烘干；S4，將所述基材浸泡在化學蝕刻液中，對基材本體進行蝕刻，使得基材本體上以凹坑結構處為起始被蝕刻形成的孔洞結構貫穿所述基材本體整體，制得表面具有微米級孔陣列結構的負極集流體。本發明專利技術制得的負極集流體可有效提高電池的性能穩定性和安全性。

【技術實現步驟摘要】
一種負極集流體、電池負極、電池及其制備方法
本專利技術涉及電池領域，特別是涉及一種負極集流體、電池及其制備方法。
技術介紹
隨著工業的發展和化石能源的枯竭，環境污染和能源匾乏的壓力越來越大，尋找新的能源和發展新的節能工具勢在必行，發展新能源材料是21世紀亟待解決的問題。鋰電池作為電化學儲能裝置的一種，與傳統的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池，鎳氫等二次電池相比，具有更高的工作電壓、能量密度和更低的自放電率，受到了廣泛關注和快速發展。近年來，鋰電池已經成功應用在電動車、智能手機、可穿戴電子產品，電網產業等領域。鋰金屬，因具有高達3860mAh/g的理論能量密度值和最低的還原電勢(-3.04V相比于標準氫電極)，被公認為一種理想的可充電電化學儲能裝置負極材料。與鋰離子電池相比，鋰金屬電池，如鋰空氣電池和鋰硫電池等，具有更高的能量密度值，得到了廣泛的研究。然而，在長期的充放電循環過程中，負極鋰金屬表面會形成鋰枝晶，鋰枝晶的形成會使得負極材料活性降低，甚至會造成電池的短路，不僅造成了電池性能的衰減，也使得電池的安全性能受到了挑戰，從而成為限制鋰金屬電池應用的主要瓶頸。以上
技術介紹
內容的公開僅用于輔助理解本專利技術的專利技術構思及技術方案，其并不必然屬于本專利申請的現有技術，在沒有明確的證據表明上述內容在本專利申請的申請日已經公開的情況下，上述
技術介紹
不應當用于評價本申請的新穎性和創造性。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是：彌補上述現有技術的不足，提出一種負極集流體、電池負極、電池及其制備方法，制得的負極集流體可有效提高電池的性能穩定性和安全性。本專利技術的技術問題通過以下的技術方案予以解決：一種負極集流體的制備方法，包括以下步驟：S1，以銅箔或鎳箔為集流體基材本體，采用熱壓工藝或涂膜技術在所述基材本體的上下表面均覆上一層高分子樹脂膜，得到上下表面均設置有高分子樹脂膜的基材；S2，通過激光打孔工藝或光刻打孔工藝在所述基材本體上表面的高分子樹脂膜上打出陣列分布的凹坑結構；打孔后，所述凹坑結構貫穿所述基材本體上表面的高分子樹脂膜以顯露出基材本體，所述凹坑結構頂部的直徑在10～100微米的范圍，所述凹坑結構底部的直徑在5～80微米的范圍；S3，將步驟S2處理后的基材清洗干凈后烘干；S4，將所述基材浸泡在化學蝕刻液中，對基材本體進行蝕刻，使得基材本體上以所述凹坑結構處為起始被蝕刻形成的孔洞結構貫穿所述基材本體整體，制得表面具有微米級孔陣列結構的負極集流體。本專利技術的技術問題通過以下進一步的技術方案予以解決：一種根據如上所述的制備方法制得的負極集流體。一種電池負極的制備方法，根據如上所述的制備方法制得負極集流體；在所述負極集流體上沉積金屬活性物質，制得金屬活性物質沉積在所述負極集流體的孔結構中的電池負極。一種根據如上所述的制備方法制得的電池負極。一種電池的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：根據如上所述的制備方法制得電池負極；將所述電池負極與電池正極、隔膜和電解液組裝成電池。一種根據如上所述的制備方法制得的電池。本專利技術與現有技術對比的有益效果是：本專利技術的負極集流體的制備方法，通過激光打孔或光刻打孔工藝和化學液刻蝕相結合的方法，使得上下表面覆有高分子樹脂膜的銅箔/鎳箔集流體整體具有微米級的孔陣列結構，得到具有3D分離腔室的負極集流體。這種特定結構的集流體，組裝成電池后，使得使用過程中在內部孔中形成的電場分布呈現出平行于孔底部，也即平行于隔膜的狀態。這樣，長期充放電循環過程中負極金屬形成的枝晶結構在電場的驅動下，被有序地、可控地引導分布生長，使得金屬枝晶都留在孔洞里面，不與隔膜接觸，從而避免枝晶刺穿隔膜的問題，確保金屬電池性能的穩定以及安全性。本專利技術的方法加工工藝簡便、可行，可工業化生產可能性大，基于該集流體進一步構筑電池負極及金屬電池的方案既能有效解決鋰枝晶不可控生長造成的安全性問題，又能保證鋰金屬電池性能的穩定。【附圖說明】圖1是本專利技術具體實施方式中激光打孔之后揭掉表面高分子樹脂膜之后露出的銅箔表面的光學顯微鏡圖；圖2是本專利技術具體實施方式中刻蝕之后未揭掉表面高分子膜拍得的光學顯微鏡圖；圖3是本專利技術具體實施方式中刻蝕之后且揭掉表面高分子膜后拍得的SEM圖；圖4是本專利技術具體實施方式中實施例1覆銅板經過打孔工藝后的表面掃描電鏡圖；圖5是本專利技術具體實施方式中實施例1覆銅板經過堿刻蝕后的掃描電鏡圖；圖6是本專利技術具體實施方式中實施例1沉積有鋰金屬后的集流體在揭掉表層高分子薄膜后的掃描電鏡圖；圖7是本專利技術具體實施方式中實施例1和對照樣例中制得的全電池的比容量、庫倫效率與循環次數的關系圖；圖8是本專利技術具體實施方式中實施例1和對照樣例中制得的全電池的充放電過電勢與循環次數的關系圖；圖9是本專利技術具體實施方式中實施例2覆銅板經過堿刻蝕后的掃描電鏡圖。【具體實施方式】下面結合具體實施方式并對照附圖對本專利技術做進一步詳細說明。本專利技術的構思是：鋰枝晶/鋅枝晶/鋁枝晶，屬于一種具有樹枝狀結構的金屬，是電池在長期充放電循環過程中鋰離子/鋅離子/鋁離子的不均勻沉積而形成的。自20世紀60年代發現枝晶以來，該問題并沒有得到較好的解決。以鋰金屬為例，為了改善鋰金屬電池的性能，近期研究主要集中在電解液的改性，鋰金屬表面機械改性以及表面構筑保護層等，以誘導鋰枝晶的定向生長或抑制鋰枝晶的形成。其中，不少研究也基于對鋰負極集流體-銅的改性，主要思路是制備一種3D結構的銅集流體，如泡沫銅和微米銅陣列等，以實現鋰金屬的定向誘導生長。然而，上述制備過程工藝相對復雜，一般采用化學反應和熱處理還原結合、電紡等工藝，得到的3D結構尺寸為微納米級，尺寸越小，從而電流密度越低，以抑制枝晶的生長。該方案工藝復雜、可控性差，不適用于大規模工業化生產，商業上使用面窄、成本高。本專利技術構思采用一些簡便可行的工業化加工工藝來制備具有特定結構的銅集流體，通過特定結構在電池應用過程中形成的獨特電場分布，不是去抑制枝晶的生長，而是有序地、可控地引導枝晶的分布生長，使枝晶都聽留在孔洞里面，不能與隔膜接觸刺穿隔膜，從而既能有效解決鋰枝晶造成的安全性問題，又能保證鋰金屬電池性能的穩定，將有利于鋰金屬電池進一步的產業化應用。本具體實施方式中提供一種負極集流體的制備方法，包括以下步驟：S1，以銅箔或鎳箔為集流體基材本體，采用熱壓工藝或涂膜技術在所述基材本體的上下表面均覆上一層高分子樹脂膜，得到上下表面均設置有高分子樹脂膜的基材。該步驟中，集流體基材本體可選用銅箔或者鎳箔。其中，銅箔比較密實，可滿足電池里面較高的封裝密度，且商業應用廣泛，因此優選可選用銅箔。在銅箔或者鎳箔的上下表面均敷設一層高分子樹脂膜，所述高分子樹脂膜的材質為環氧類樹脂或聚氨酯類樹脂。上表面覆上樹脂膜的作用包括兩方面：一，作為物理絕緣阻擋層，對后續經過打孔、刻蝕后形成的銅孔/鎳孔內部的電場分布產生影響，以得到所期望的在銅孔/鎳孔內部平行分布的內部電場；二，如果表面沒有高分子樹脂膜，在化學液刻蝕過程中，銅/鎳箔的上表面會暴露在蝕刻液中，使得刻蝕過程從銅的表面自上而下開始刻蝕，無法得到孔陣列。覆上高分子樹脂膜后，膜對銅/鎳的表面發揮保護作用，使得銅/鎳的刻蝕是從打孔露出的表面處擴展，使孔逐漸變大，而不是整個表面均被刻蝕。下表面覆上樹脂膜的作用主要是本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種負極集流體的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：S1，以銅箔或鎳箔為集流體基材本體，采用熱壓工藝或涂膜技術在所述基材本體的上下表面均覆上一層高分子樹脂膜，得到上下表面均設置有高分子樹脂膜的基材；S2，通過激光打孔工藝或光刻打孔工藝在所述基材本體上表面的高分子樹脂膜上打出陣列分布的凹坑結構；打孔后，所述凹坑結構貫穿所述基材本體上表面的高分子樹脂膜以顯露出基材本體，所述凹坑結構頂部的直徑在10～100微米的范圍，所述凹坑結構底部的直徑在5～80微米的范圍；S3，將步驟S2處理后的基材清洗干凈后烘干；S4，將所述基材浸泡在化學蝕刻液中，對基材本體進行蝕刻，使得基材本體上以所述凹坑結構處為起始被蝕刻形成的孔洞結構貫穿所述基材本體整體，制得表面具有微米級孔陣列結構的負極集流體。

【技術特征摘要】
1.一種負極集流體的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：S1，以銅箔或鎳箔為集流體基材本體，采用熱壓工藝或涂膜技術在所述基材本體的上下表面均覆上一層高分子樹脂膜，得到上下表面均設置有高分子樹脂膜的基材；S2，通過激光打孔工藝或光刻打孔工藝在所述基材本體上表面的高分子樹脂膜上打出陣列分布的凹坑結構；打孔后，所述凹坑結構貫穿所述基材本體上表面的高分子樹脂膜以顯露出基材本體，所述凹坑結構頂部的直徑在10～100微米的范圍，所述凹坑結構底部的直徑在5～80微米的范圍；S3，將步驟S2處理后的基材清洗干凈后烘干；S4，將所述基材浸泡在化學蝕刻液中，對基材本體進行蝕刻，使得基材本體上以所述凹坑結構處為起始被蝕刻形成的孔洞結構貫穿所述基材本體整體，制得表面具有微米級孔陣列結構的負極集流體。2.根據權利要求1所述的負極集流體的制備方法，其特征在于：步驟S1中以銅箔為集流體基材本體；步驟S4中，所述化學蝕刻液包括銅鹽、助劑和pH調節溶液。3.根據權利要求2所述的負極集流體的制備方法，其特征在于：所述化學...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊誠，鄒培超，
申請(專利權)人：清華大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：廣東,44