一种锡铜一体化电极、制备方法及电池

本发明涉及一种锡铜一体化电极、制备方法及电池，属于电化学。

背景技术：

1、随着可再充电电池技术的飞速发展，尤其是锂离子电池和其他高能量密度电池在便携式电子设备、电动汽车及储能系统中的广泛应用，电池性能的提升成为研究的关键目标。在这一背景下，负极材料的研究成为提升电池整体能量密度和循环稳定性的一个重要方向。传统的石墨负极材料因其相对较低的比容量和循环寿命的限制，逐渐无法满足高能量密度电池的需求。因此，研究者们将目光投向了锡(sn)等具有较高比容量的负极材料，尤其是锡的理论比容量高达994mah/g，是石墨的三倍以上，被视为一种有潜力的替代材料。

2、然而，尽管锡作为负极材料具有优异的理论比容量，其在充放电过程中面临的一个严重问题是显著的体积膨胀效应。锡在充电过程中会经历高达约300％的体积膨胀，而在放电时体积又会急剧收缩。这种体积膨胀和收缩的循环变化会导致锡负极材料发生结构崩塌，进而引起负极与集流体之间的界面脱落，形成电池容量衰减、循环寿命下降等问题。此外，体积膨胀还可能导致电解液的不可逆反应，进一步加剧电池的老化。因此，如何抑制锡负极材料在充放电过程中的体积膨胀，成为了提升锡基负极材料性能的关键挑战之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提高了一种锡铜一体化电极制备方法，所述的锡铜一体化电极制备方法制备的锡铜一体化电极较常规电极具有更大的与集流体的界面结合力，更充足的体积膨胀限制空间，更优的电化学循环稳定性。

2、为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种锡铜一体化电极的制备方法，所述方法包括：

4、通过粗化和固化在铜箔表面沉积铜得到三维结构铜箔；其中，三维结构铜箔为表面生长有铜簇体结构的铜箔，铜簇体垂直于铜箔表面；

5、通过在三维结构铜箔表面电沉积锡得到锡铜一体化电极；其中，锡层将每个铜簇体结构表面包裹，同时填充了每个铜簇体结构之间的间隙，锡层厚度低于铜簇体结构的高度。

6、优选地，所述通过粗化和固化在铜箔表面沉积铜得到三维结构铜箔，包括：

7、将20～40ml的浓硫酸和30～40g的五水硫酸铜溶解于500ml的去离子水中，配置成粗化溶液；将10～20ml的浓硫酸和125～150g的五水硫酸铜溶解于500ml的去离子水中，配置成固化溶液；将铜箔置于粗化溶液中，设置阴极电流密度20～60a/dm2，设置电沉积时间1～6s，电沉积温度20～30℃；将粗化之后的铜箔置于固化溶液中，设置阴极电流密度15～25a/dm2，设置电沉积时间5～35s，电沉积温度40～50℃，得到三维结构铜箔。

8、优选地，所述通过在三维结构铜箔表面电沉积锡得到锡铜一体化电极，包括：

9、电沉积锡溶液配方为0.2～0.3m柠檬酸铵和0.04～0.06m二水合氯化亚锡；将三维结构铜箔置于电沉积锡溶液中，设置阴极电流密度为0.5～1.5a/dm2，电沉积时间为100～200s，温度为20～30℃，得到锡铜一体化电极。

10、优选地，所述三维结构铜箔表面粗糙度在1～1.5μm。

11、优选地，所述锡铜一体化电极表面的锡镀层厚度为0.5～1μm。

12、优选地，所述的锡铜一体化电极表面包括铜、锡、α相cu6sn5和γ相cu3sn中的两种或两种以上金属或合金。

13、第二方面，本发明实施例还提供了一种锡铜一体化电极，包括上述任一项所述的锡铜一体化电极的制备方法制备得到。

14、第三方面，本发明实施例还提供一种电池，包括上述锡铜一体化电极。

15、本发明实施例提供一种锡铜一体化电极、制备方法及电池，所述的锡铜一体化电极具有三维铜簇体结构，并且铜簇体结构表面的锡层将每个铜簇体结构表面包裹，同时填充了每个铜簇体结构之间的间隙，锡层厚度低于铜簇体结构的高度；其中铜簇体表面与锡接触的界面形成了锡铜合金。所述锡铜一体化电极制备方法步骤包括：通过两段电沉积在铜箔表面沉积铜得到三维结构铜箔；其中，三维结构铜箔为表面生长有铜簇体结构的铜箔，铜簇体垂直于铜箔表面；通过在三维结构铜箔表面电沉积锡得到锡铜一体化电极；其中，锡层将每个铜簇体结构表面包裹，同时填充了每个铜簇体结构之间的间隙，锡层厚度低于铜簇体结构的高度；其中，所述电池包括所述锡铜一体化电极，锡铜一体化电极表面的锡覆盖在铜簇体表面，同时锡与铜簇体之间形成了合金界面，可以增大锡与集流体之间的界面结合力，为锡的体积膨胀提供空间的同时限制锡的过度膨胀，有利于提升电池的循环稳定性。

16、本发明的有益效果：

17、(1)本发明所述的锡铜一体化电极具有铜簇体结构，增大了铜箔的表面粗糙度，同时铜簇体结构为锡的体积膨胀提供空间的同时限制了锡的过度膨胀，有利于电极的稳定性，在电池中具有更好的电化学稳定性；

18、(2)本发明所述的锡铜一体化电极，采用直流电沉积法制备得到，工艺简单，降低了生产成本，有利于产品的工业化生产。

1.一种锡铜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的锡铜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述通过粗化和固化在铜箔表面沉积铜得到三维结构铜箔，包括：

3.根据权利要求1所述的锡铜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述通过在三维结构铜箔表面电沉积锡得到锡铜一体化电极，包括：

4.根据权利要求1所述的锡铜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述三维结构铜箔表面粗糙度在1～1.5μm。

5.根据权利要求1所述的锡铜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述锡铜一体化电极表面的锡镀层厚度为0.5～1μm。

6.根据权利要求1所述的锡铜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述的锡铜一体化电极表面包括铜、锡、α相cu6sn5和γ相cu3sn中的两种或两种以上金属或合金。

7.一种锡铜一体化电极，其特征在于，包括使用权利要求1-6任一项所述的锡铜一体化电极的制备方法制备得到。

8.一种电池，其特征在于，包括权利要求7所述的锡铜一体化电极。