CN110190285A - 一种电池、电池负极、多层大孔铜集流体及其制备方法 - Google Patents

一种电池、电池负极、多层大孔铜集流体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电池、电池负极、多层大孔铜集流体及其制备方法，包括以下步骤：将铜箔去除氧化层；将去除氧化层后的铜箔作为工作电极；进行氢气泡动态模板电沉积，得到多层大孔铜集流体；由于将去除氧化层后的铜箔作为工作电极，并进行了氢气泡动态模板电沉积，可以沉积得到多层大孔铜集流体，整个沉积的过程无需使用任何有机或无机模板即可进行铜集流体的结构分层，从而可以有效抑制锂枝晶的生长，显著提高电池的使用寿命，适合工业化生产，具备很好的实用性。

Description

一种电池、电池负极、多层大孔铜集流体及其制备方法
技术领域
本发明涉及储能领域，具体涉及一种电池、电池负极、多层大孔铜集流体及其制备方法。
背景技术
目前，可移动设备、电动汽车及智能电网的快速发展使得高能量密度二次电池受到大量的关注和研究，其中，锂金属由于其高比容量和低还原电位而被认为是用于电化学能量储存最有希望的负极材料之一。但是，金属负极存在一系列问题限制了其进一步地发展与实际应用，例如金属负极中不可控的锂枝晶的增长。这些问题导致电池的库伦效率低，循环寿命较短，极易造成短路及热失控等问题，并带来严重的安全性隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能够提高电池库伦效率的多层大孔铜集流体及其制备方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
在一个总体方面，提供一种多层大孔铜集流体的制备方法，包括以下步骤：
将铜箔去除氧化层；
将去除氧化层后的铜箔作为工作电极；
进行氢气泡动态模板电沉积，得到多层大孔铜集流体。
优选的，将铜箔去除氧化层具体包括：
将铜箔浸入硫酸溶液中；
将铜箔从硫酸溶液中取出，放入蒸馏水中清洗。
优选的，进行氢气泡动态模板电沉积具体包括：
将铜箔放入双电极电池中；
在恒定电流密度下进行电沉积。
优选的，双电极电池的电解质包括CuSO4和H2SO4。
优选的，双电极电池的电解质中还包括稳定剂，稳定剂为Na2SO4。
优选的，恒定电流密度为5～20A/cm2。
优选的，将铜箔作为工作电极时，铜箔的对电极的材质为铝箔或铂箔。
在另一个总体方面，还提供了一种多层大孔铜集流体，其特征在于，包括铜箔层和多层大孔铜层，多层大孔铜层的孔洞的直径为10～100μm。
在另一个总体方面，还提供了一种电池负极，包括上述的多孔铜集流体。
在另一个总体方面，还提供了一种电池，包括上述的电池负极。
本发明提供了一种电池、电池负极、多层大孔铜集流体及其制备方法，由于将去除氧化层后的铜箔作为工作电极，并进行了氢气泡动态模板电沉积，可以沉积得到多层大孔铜集流体，整个沉积的过程无需使用任何有机或无机模板即可进行铜集流体的结构分层，从而可以有效抑制锂枝晶的生长，显著提高电池的使用寿命，适合工业化生产，具备很好的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的多层大孔铜集流体的制备方法流程图；
图2是本发明的多层大孔铜集流体的显微结构示意图；
图3是本发明的对比例的铜箔的显微结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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
图1是本发明的多层大孔铜集流体的制备方法流程图，如图1所示，本实施例的多层大孔铜集流体的制备方法流程图，包括以下步骤：
S01、将铜箔去除氧化层；
在本实施例的步骤S01中，将铜箔去除氧化层具体包括：将铜箔浸入硫酸溶液中，直到硫酸将铜箔表面的氧化物和其他杂质都腐蚀掉；将铜箔从硫酸溶液中取出，放入蒸馏水中清洗，被硫酸腐蚀偶的杂质会比较疏松，容易清洗，清洗完成后就可以得到干净的铜箔。
值得注意的是，清洗完成后得到的铜箔的厚度需要保持在10～100μm。并且，为了保证氧化层去除的彻底，硫酸溶液的浓度为0.6～5mol/L，浸入硫酸溶液的时间为5s～10min，其具体的时长以铜箔表面的氧化物被硫酸反应完为止。
S02、将去除氧化层后的铜箔作为工作电极；
在本实施例的步骤S02中，需要将去除氧化层后的铜箔作为工作电极进行电沉积，在铜箔的表面沉积铜，因此，将铜箔作为一个工作电极的同时，铜箔的对电极的材质为铝箔或者铂箔。
S03、进行氢气泡动态模板电沉积，得到多层大孔铜集流体。
在本实施例的步骤S03中，铜箔为负极材料常用的集流体，铝箔为正极材料常用的集流体，当铜箔和铝箔行成对电极之后，就可以放入双电极电池中进行电沉积了，本实施例采用的是氢气泡动态模板法沉积铜集流体。在沉积过程中，需要将铜箔和铝箔放入双电极电池的电解液中，并通入恒定的电流，在恒定电流密度下进行电沉积。
具体的，双电极电池的电解质包括CuSO4和H2SO4，H2SO4可以使电解液保持酸性，H2SO4的浓度为1.6～5mol/L，而CuSO4中的铜离子可以析出，在铜箔的表面行成多层大孔铜层，CuSO4的浓度为为0.6～5mol/L。
进一步的，在电解液中还可以加入稳定剂，该稳定剂的主要成分为Na2SO4，Na2SO4浓度为0.2～2mol/L，可以用于维持电解液的稳定。
值得注意的是，在本实施例中，恒定电流密度为5～20A/cm2，电沉积时间为5s～5min，通常根据需要将电沉积时间设置为5s～5min，就可以得到多层大孔铜层的孔洞的直径为10～100μm的多层大孔铜集流体。
图2是本发明的多层大孔铜集流体的显微结构示意图，如图2所示，本实施例的多层大孔铜集流体包括铜箔层和多层大孔铜层，铜箔层即清洗完成后的铜箔，而多层大孔铜层则是电沉积后在铜箔的表面形成的。通过该多层大孔铜集流体，可以制作电池的负极，并且该电池负极也可以用于组装电池。
实施例2
作为本说明书的又一实施方式，与实施例1不同的是，在本实施例的步骤S01中，硫酸溶液的浓度为0.8mol/L，浸入硫酸溶液的时间为5min。在本实施例的步骤S02中，铜箔的对电极的材质为铝箔。在本实施例的步骤S03中，H2SO4的浓度为1.85mol/L，CuSO4的浓度为为0.75mol/L，恒定电流密度为6A/cm2，电沉积时间为15s，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为35μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为98.6％，运行1000h库伦效率仍保持在97.1％。
实施例3
作为本说明书的又一实施方式，与实施例2不同的是，在本实施例的步骤S02中，铜箔的对电极的材质为铂箔。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为98.7％，运行1000h库伦效率仍保持在97.4％。
实施例4
作为本说明书的又一实施方式，与实施例3不同的是，在本实施例的步骤S01中，硫酸溶液的浓度为0.6mol/L，浸入硫酸溶液的时间为10min。在本实施例的步骤S03中，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为46μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为98.2％，运行1000h库伦效率仍保持在96.7％。
实施例5
作为本说明书的又一实施方式，与实施例3不同的是，在本实施例的步骤S03中，H2SO4的浓度为1.6mol/L，CuSO4的浓度为为0.6mol/L，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为42μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为98.6％，运行1000h库伦效率仍保持在96.3％。
实施例6
作为本说明书的又一实施方式，与实施例3不同的是，在本实施例的步骤S03中，H2SO4的浓度为5mol/L，CuSO4的浓度为为5mol/L，电沉积时间为5s，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为83μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为97.5％，运行1000h库伦效率仍保持在96.2％。
实施例7
作为本说明书的又一实施方式，与实施例3不同的是，在本实施例的步骤S03中，在电解液中还加入了Na2SO4，Na2SO4浓度为0.2mol/L，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为20μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为99.6％，运行1000h库伦效率仍保持在97.8％。
实施例8
作为本说明书的又一实施方式，与实施例7不同的是，在本实施例的步骤S03中，Na2SO4浓度为0.5mol/L，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为13μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为99.8％，运行1000h库伦效率仍保持在98.6％。
实施例9
作为本说明书的又一实施方式，与实施例3不同的是，在本实施例的步骤S03中，恒定电流密度为5A/cm2，电沉积时间为5min，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为67μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为97.7％，运行1000h库伦效率仍保持在96.3％。
实施例10
作为本说明书的又一实施方式，与实施例3不同的是，在本实施例的步骤S03中，恒定电流密度为20A/cm2，电沉积时间为5s，得到多层大孔铜层的孔洞的直径为91μm。
值得注意的是，将本实施例中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成金属锂电池，经过测试发现，电池运行500h库伦效率为97.4％，运行1000h库伦效率仍保持在96.1％。
对比例1
作为本说明书的一个对比实施方式，在本对比例中，直接将铜箔与金属锂箔组装成金属锂电池，图3是本发明的对比例的铜箔的显微结构示意图，如图3所示，对比例的铜箔表面较为平整，没有多层大孔铜集流体。
经过测试发现，电池运行500h库伦效率为19.3％，运行1000h库伦效率为0.01％。
在连续充放电500小时和1000小时后，实施例1至实施例10中的多层大孔铜集流体与金属锂箔组装成的金属锂电池的库伦率都保持在95％以上，库伦保持率较高，循环使用寿命较长。
而对比例1中直接将铜箔与金属锂箔组装成的金属锂电池的库伦率有明显的的下降，其循环性能相对多层大孔铜集流体改性后的电池负极制作的电池显著下降，其循环性能相对差，使用寿命较短。
综上，本发明实施例提供了一种电池、电池负极、多层大孔铜集流体及其制备方法，由于将去除氧化层后的铜箔作为工作电极，并进行了氢气泡动态模板电沉积，可以沉积得到多层大孔铜集流体，整个沉积的过程无需使用任何有机或无机模板即可进行铜集流体的结构分层，从而可以有效抑制锂枝晶的生长，显著提高电池的使用寿命，适合工业化生产，具备很好的实用性。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层大孔铜集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将铜箔去除氧化层；
将去除氧化层后的所述铜箔作为工作电极；
进行氢气泡动态模板电沉积，得到多层大孔铜集流体。
2.根据权利要求1所述的多层大孔铜集流体的制备方法，其特征在于，所述将所述铜箔去除氧化层具体包括：
将所述铜箔浸入硫酸溶液中；
将所述铜箔从所述硫酸溶液中取出，放入蒸馏水中清洗。
3.根据权利要求1所述的多层大孔铜集流体的制备方法，其特征在于，所述进行氢气泡动态模板电沉积具体包括：
将所述铜箔放入双电极电池中；
在恒定电流密度下进行电沉积。
4.根据权利要求3所述的多层大孔铜集流体的制备方法，其特征在于，所述双电极电池的电解质包括CuSO4和H2SO4。
5.根据权利要求4所述的多层大孔铜集流体的制备方法，其特征在于，所述双电极电池的电解质中还包括稳定剂，所述稳定剂为Na2SO4。
6.根据权利要求3所述的多层大孔铜集流体的制备方法，其特征在于，所述恒定电流密度为5～20A/cm2。
7.根据权利要求1所述的多层大孔铜集流体的制备方法，其特征在于，将所述铜箔作为工作电极时，所述铜箔的对电极的材质为铝箔或铂箔。
8.一种多层大孔铜集流体，其特征在于，包括铜箔层和多层大孔铜层，所述多层大孔铜层的孔洞的直径为10～100μm。
9.一种电池负极，其特征在于，包括如权利要求8所述的多孔铜集流体。
10.一种电池，其特征在于，包括如权利要求9所述的电池负极。
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