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CN113707885B - 一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法 - Google Patents

一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法 Download PDF

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Abstract

一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法，属于碱金属离子电池技术领域，具体包括以下步骤：步骤一、对负极集流体氧化处理，使其表面形成MxOy纳米线，再利用稀H2SO4、NaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体；步骤二、将表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体置于硅烷偶联剂与有机溶剂的混合液中浸泡；加热挥发有机溶剂，得到改性后的负极集流体。充放电过程中，利用碱金属离子的强还原性使Si‑O‑Cu转变为Si‑O‑Li(Na/K)键，能有效抑制了枝晶生长。硅烷偶联剂修饰层的存在能促进形成稳定的SEI层，增强了负极界面稳定性，有效提升无负极碱金属离子电池的电化学性能。

Description

一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法
技术领域
本发明属于碱金属离子电池技术领域，具体涉及一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法。
背景技术
随着锂离子电池技术飞速发展，人们对于高能量密度锂离子电池的需求也在逐渐增加，高比能负极材料如锂金属负极和硅负极受到较大的关注。但是锂负极严重的枝晶问题以及硅负极的体积效应与安全问题限制了其发展，钠离子电池和钾离子电池同样存在上述问题。就锂离子电池而言，全球锂资源有限，有限的锂如超薄锂作为目前普遍使用的一种解决方案仍然存在成本高和枝晶问题。无负极碱金属离子电池具有诸多优点，如提高了体积能量密度，成本低，且无需考虑正负极容量匹配问题，负极制备流程简单等优点。但目前纯铜箔作为无负极碱金属离子电池的负极集流体有诸多挑战：无负极碱金属离子电池仍存在不均匀的离子沉积从而导致枝晶的产生，且形成的SEI膜较差的稳定性导致电解液的消耗以及电池性能的急剧衰减，因此迫切需要一种负极集流体研究方案来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决无负极碱金属离子电池存在的由于不均匀的离子沉积从而导致枝晶的产生，且形成的SEI膜较差的稳定性导致电解液的消耗以及电池性能急剧衰减的问题，提出一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将负极集流体利用热空气对其表面进行氧化处理，使其表面形成MxOy纳米线，再利用稀H2SO4、NaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体，其中负极集流体为铜箔或铝箔，相应的，M为Cu或Al，x、y、n、m根据化合价的配平原则取值；
步骤二、将表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体置于硅烷偶联剂与有机溶剂的混合液中浸泡处理；然后加热使有机溶剂挥发，得到表面修饰一层均匀的硅烷偶联剂层的负极集流体，即改性后的负极集流体。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
1、本发明利用硅烷偶联剂对表面含有Mn(OH)m纳米线的负极集流体进行预处理，硅烷偶联剂的烷氧基团与纳米线表面的羟基发生键合反应生成Si-O-M键。充放电过程，利用碱金属离子的强还原性使Si-O-M转变为Si-O-Li(Na/K)键，能起到诱导离子进行均匀沉积/剥离的作用，有效抑制了枝晶生长。
2、负极表面修饰层的存在能促进形成稳定的SEI层，增强了负极界面稳定性，有效提升无负极碱金属离子电池的电化学性能。
3、负极集流体基底表面含有Mn(OH)m纳米线，使负极比表面积大大增加，在相同的电流密度下，可以满足更高的充放电电流需求。
4、负极集流体改性方法步骤简易，可应用于固态体系、半固态体系和液态体系，普适性强。
附图说明
图1为无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例对本发明做详细的介绍。
具体实施方式一
一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法，包括以下步骤：
步骤一、将负极集流体酸洗以去除表面氧化物，再经热空气进行表面部分氧化处理，使负极集流体表面形成MxOy纳米线，再经稀H2SO4、NaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体；其中负极集流体为铜箔或铝箔，相应的，M为Cu或Al，x、y、n、m根据化合价的配平原则取值；
步骤二、将硅烷偶联剂与有机溶剂以一定体积比混合均匀得到混合液，将表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体置于上述混合液中进行浸泡处理，将浸泡后的铜箔进行加热处理使表面有机溶剂挥发，在负极集流体表面修饰一层均匀的硅烷偶联剂层，得到改性后的负极集流体。
进一步的，步骤一中，酸洗的处理步骤中，所用酸包括硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、铬酸、氢氟酸中的一种或几种，优选硫酸或盐酸。所用酸的浓度为2-4mol/L。
进一步的，步骤一中，所述稀硫酸的浓度为3mol/L～6mol/L，NaOH的浓度为0.5mol/L～3mol/L。首先，稀硫酸与MxOy反应生成Mx(SO4)y，然后Mx(SO4)y与NaOH反应生成Mn(OH)m。
进一步的，步骤一中，热空气处理的具体步骤为：将负极集流体置于管式炉内以4～6℃/min升温速率升温至250～350℃，并持续通入空气，保持3～4h后自然降至室温。
进一步的，步骤二中，所述有机溶剂包括四氢呋喃、丙酮、环己烷中的至少一种。
进一步的，步骤二中，所述硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷(KH-151)、乙烯基三甲氧基硅烷(KH-171)、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基)硅烷(KH-172)中的至少一种。
进一步的，步骤二中，混合液中硅烷偶联剂的比例范围为2％vol～10％vol，有机溶剂的比例范围为90％vol～98％vol。
进一步的，步骤二中，表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体在混合液中的浸泡时间为30～90min。
进一步的，步骤二中，使有机溶剂挥发的加热温度为50～100℃。
进一步的，所述碱金属离子电池包括锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池。
实施例1
一种无负极锂离子电池中负极集流体的改性方法，包括以下步骤：
步骤一、将铜箔首先用浓度为2mol/L的盐酸进行浸泡去除表面氧化物，再将铜箔置于管式炉内以4℃/min的升温速率升温至250℃，并持续通入空气，保持3h后自然降至室温，在铜基底上形成CuO纳米线，再经浓度为3mol/L稀H2SO4、1mol/LNaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Cu(OH)2纳米线的铜箔。
步骤二、将含有双键官能团的乙烯基三乙氧基硅烷(KH-151)与四氢呋喃以体积比为5％vol/95％vol的比例混合均匀得到混合液，将表面含Cu(OH)2纳米线的铜箔置于混合液中进行浸泡处理40min。浸泡后以90℃的温度加热1h使表面溶剂(四氢呋喃)挥发，在铜箔表面修饰一层均匀的硅烷偶联剂层，即得到改性后的负极集流体。
将上述所得改性后的负极集流体应用于无锂负极SN基聚合物锂离子电池，聚合单体使用季戊四醇四丙烯酸酯(PETEA)，利用KH-151有机端与PETEA之间的双键聚合作用来增强界面稳定性。将改性后的负极集流体匹配高电压正极材料LCO，电压区间为3.0～4.4V，首次充放电比容量为159.6mAh g-1，循环100次后容量保持率为97.7％，显示出良好的电化学性能。
实施例2
一种无负极钠离子电池中负极集流体的改性方法，包括以下步骤：
步骤一、将铝箔首先用浓度为3mol/L的盐酸进行浸泡去除表面氧化物，再将铝箔置于管式炉内以5℃/min的升温速率升温至300℃，并持续通入空气，保持3h后自然降至室温，在铝基底上形成Al2O3纳米线，再经浓度为4mol/L稀H2SO4、2mol/LNaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Al(OH)3纳米线的铝箔。
步骤二、将含有双键官能团的乙烯基三(b-甲氧基乙氧基)硅烷(KH-172)与四氢呋喃以体积比为3％vol/97％vol的比例混合均匀得到混合液，将表面含Al(OH)3纳米线的铝箔置于混合液中进行浸泡处理50min。浸泡后以100℃的温度加热1h使表面溶剂(四氢呋喃)挥发，在铝箔表面修饰一层均匀的硅烷偶联剂层，即得到改性后的负极集流体。
将上述所得改性后的负极集流体应用于无钠负极液态钠离子电池体系。将改性后的负极集流体匹配正极材料磷酸钒钠，电压区间为2.4～3.8V，首次充放电比容量为114mAhg-1，循环100次后容量保持率为96.8％，显示出良好的电化学性能。
实施例3
一种无负极锂离子电池中负极集流体的改性方法，包括以下步骤：
步骤一、将铜箔首先用浓度为4mol/L的盐酸进行浸泡去除表面氧化物，再将铜箔置于管式炉内以6℃/min的升温速率升温至350℃，并持续通入空气，保持4h后自然降至室温，在铜基底上形成CuO纳米线，再经浓度为3mol/L稀H2SO4、3mol/LNaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Cu(OH)2纳米线的铜箔。
步骤二、将含有双键官能团的乙烯基三甲氧基硅烷(KH-171)与丙酮以体积比为2％vol/98％vol的比例混合均匀得到混合液，将表面含Cu(OH)2纳米线的铜箔置于混合液中进行浸泡处理70min。浸泡后以90℃加热1h使表面溶剂(丙酮)挥发，在铜箔表面修饰一层均匀的硅烷偶联剂层，即得到改性后的负极集流体。
将上述所得改性后的负极集流体应用于无锂负极全固态电池体系。将表面功能化铜箔匹配高电压正极材料LCO，电压区间为3.0～4.4V，首次充放电比容量为155.6mAh g-1，循环100次后容量保持率为96.5％，显示出良好的电化学性能。
实施例4
一种无负极钾离子电池中负极集流体的改性方法，包括以下步骤：
步骤一、将铜箔首先用浓度为2mol/L的盐酸进行浸泡去除表面氧化物，再将铜箔置于管式炉内以6℃/min的升温速率升温至300℃，并持续通入空气，保持5h后自然降至室温，在铜基底上形成CuO纳米线，再经浓度为5mol/L稀H2SO4、3mol/LNaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Cu(OH)2纳米线的铜箔。
步骤二、将含有双键官能团的3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)与环己烷以体积比为4％vol/96％vol的比例混合均匀得到混合液，将表面含Cu(OH)2纳米线的铜箔置于混合液中进行浸泡处理60min。浸泡后以100℃的温度加热1h使表面溶剂(环己烷)挥发，在铜箔表面修饰一层均匀的硅烷偶联剂层，即得到改性后的负极集流体。
将上述所得改性后的负极集流体应用于无钾负极液态钾离子电池体系。将改性后的负极集流体匹配正极材料普鲁士蓝，电压区间为2.4～3.8V，首次充放电比容量为110mAhg-1，循环100次后容量保持率为93.8％，显示出良好的电化学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无负极碱金属离子电池中负极集流体的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将负极集流体利用热空气对其表面进行氧化处理，使其表面形成MxOy纳米线，再利用稀H2SO4、NaOH依次进行浸泡处理，得到表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体，其中负极集流体为铜箔或铝箔，相应的，M为Cu或Al，x、y、n、m根据化合价的配平原则取值；
步骤二、将表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体置于硅烷偶联剂与有机溶剂的混合液中浸泡处理；然后加热使有机溶剂挥发，得到表面修饰一层均匀的硅烷偶联剂层的负极集流体，即改性后的负极集流体。
2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤一中，在对负极集流体氧化处理之前，对负极集流体进行酸洗去除表面氧化物。
3.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤一中，热空气处理的具体步骤为：将负极集流体置于管式炉内以4～6℃/min升温速率升温至250～350℃，并持续通入空气，保持3～4h后自然降至室温。
4.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤一中，稀硫酸的浓度为3mol/L～6mol/L，NaOH的浓度为0.5mol/L～3mol/L。
5.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤二中，所述有机溶剂包括四氢呋喃、丙酮、环己烷中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤二中，所述硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷(KH-151)、乙烯基三甲氧基硅烷(KH-171)、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基)硅烷(KH-172)中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤二中，混合液中硅烷偶联剂的比例范围为2％vol～10％vol，有机溶剂的比例范围为90％vol～98％vol。
8.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤二中，表面含Mn(OH)m纳米线的负极集流体在混合液中的浸泡时间为30-90min。
9.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：步骤二中，使有机溶剂挥发的加热温度为50-100℃。
10.据权利要求1所述的改性方法，其特征在于：所述碱金属离子电池包括锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池。
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