一种基于石墨烯的铜集流体及其制备方法与流程

本发明涉及集流体，具体是一种基于石墨烯的铜集流体及其制备方法。

背景技术：

1、无负极锂电池具有较高的能量密度，被广泛用于电子储能等技术领域中。

2、在无负极锂电池中，锂离子直接于铜集流体表面沉积和剥离。然而，由于铜存在一定疏锂性，在实际应用中，锂离子在铜集流体上沉积时容易形成不均匀的锂枝晶，会大大影响电池的库仑效率、循环寿命等电化学性能，甚至引发安全隐患。

3、为了提高锂离子在铜集流体表面的均匀沉积，现有技术中通常在铜箔表面构建石墨烯层。石墨烯层虽能改善铜集流体的界面均匀性，但其对锂离子的成核诱导能力有限，且结构较为平整；在长期循环中，依然会存在锂枝晶的现象，影响电化学性能。

4、综上，为解决上述问题，制备了一种基于石墨烯的铜集流体及其制备方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的铜集流体及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1：将铜掺杂石墨烯加入至去离子水中分散，得到铜掺杂石墨烯分散液；

5、步骤2：将铜掺杂石墨烯分散液涂覆在铜箔表面，热处理，冷却，酸洗活化，形成铜掺杂石墨烯过渡层，得到铜集流体a；

6、步骤3：呈强酸性的硫酸铜水溶液作为电沉积液；在铜集流体a表面电沉积铜；电沉积结束后，取出，涂覆镍催化剂，热氧化，形成cu2o；得到铜集流体。

7、较为优化地，所述cu2o为花状结构，制备过程具体为：

8、步骤1：将稀硫酸加入硫酸铜水溶液中，调节ph至1.9~2.1，得到电沉积液；

9、步骤2：设置电流密度为12~18ma/cm2，以电沉积液作为反应体系，室温下于铜集流体a表面，进行电沉积50~70min；形成铜层；

10、步骤3：待电沉积结束后，取出，在表面点涂镍催化剂，形成岛状结构；

11、步骤4：空气气氛下，设置温度为110~130℃，将其进行热氧化1.5~2.5小时，形成cu2o花状结构。

12、较为优化地，所述岛状结构的直径为2~3mm、厚度为0.8~1.2mm。

13、较为优化地，所述镍催化剂为水性浆料，包含片状镍粉和硅酸盐粘结剂；所述水性浆料的粘度为400~600cp。

14、较为优化地，所述铜掺杂石墨烯分散液的固含量0.1~0.2wt%；所述铜掺杂石墨烯分散液的涂覆量为0.02~0.03g/m2。

15、较为优化地，所述酸洗活化的工艺参数为：使用0.4~0.5m的高氯酸水溶液，温度为40~60℃，时间为1~2h。

16、较为优化地，所述热处理的温度为750~850℃。

17、较为优化地，所述铜掺杂石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯水溶液、硫酸铜水溶液加入乙醇中，分散，静置，取上清液，分离、纯化、干燥，得到铜掺杂石墨烯。

18、较为优化地，所述铜掺杂石墨烯的原料中，去离子水与乙醇的体积比为1:(6~8)，氧化石墨烯和硫酸铜的质量比为(0.9~1.2):5。

19、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

20、首先，本申请铜掺杂石墨烯分散液涂覆在铜箔表面，热处理，冷却，酸洗活化，形成铜掺杂石墨烯过渡层；其目的在于：可以初步在铜箔表面形成铜掺杂石墨烯过渡层，一方面，经过热处理后，氧化石墨烯被还原成石墨烯，铜金属元素被掺杂到石墨烯中，有利于提高导电性；另一方面，经过铜掺杂后，可以提高与铜箔间的界面结合力，以防止石墨烯剥落，确保界面稳定。在此基础上，经酸洗活化，可在过渡层表面形成微观粗糙结构，提供更多成核活性位点，有利于后续电沉积、热氧化形成花状cu2o结构；但是，在此过程中，需要控制酸洗活化工艺参数，避免其强氧化性过度氧化铜基体，损害界面稳定性；

21、另外，还需要控制铜掺杂石墨烯分散液的固含量，原因在于：本申请特定的固含量有利于提高石墨烯的分散性，抑制团聚，从而在涂覆后得到厚度较为均一的铜掺杂石墨烯过渡层；另一方面，该涂层可抑制后续热处理的涂层开裂；如果固含量较高，会导致石墨烯前期分散不均匀，易引起开裂，影响性能。

22、其次，由于铜掺杂石墨烯本身具有一定疏锂性，不利于锂离子均匀传输，进一步地，本申请在铜掺杂石墨烯表面，电沉积铜，利用点涂镍催化剂形成特定岛状结构，热氧化，形成花状cu2o结构；具有以下优势：一方面，cu2o本身具有一定亲锂性，可降低锂成核过电位，引导锂离子均匀沉积，从而抑制锂枝晶的生长；另一方面，具有花状结构的cu2o相较于传统cu2o层，具有更高的比表面积和更多的活性位点，不仅有利于电解液充分浸润和锂离子快速传输，还可以进一步抑制枝晶；此外，还可以缓冲充放电循环中电极体积的反复膨胀与收缩，缓解内部应力累积，从而提升长期循环稳定性。

23、最后，镍催化剂可分布于花状cu2o边缘；镍元素具有一定化学惰性和导电性，有利于提高机械强度和导电性能，机械强度有利于维持花状结构，从而提高电池的循环寿命。

1.一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述cu2o为花状结构，制备过程具体为：

3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述岛状结构的直径为2~3mm、厚度为0.8~1.2mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述镍催化剂为水性浆料，包含片状镍粉和硅酸盐粘结剂；所述水性浆料的粘度为400~600cp。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述铜掺杂石墨烯分散液的固含量0.1~0.2wt%；所述铜掺杂石墨烯分散液的涂覆量为0.02~0.03g/m2。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述酸洗活化的工艺参数为：使用0.4~0.5m的高氯酸水溶液，温度为40~60℃，时间为1~2h。

7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述热处理的温度为750~850℃。

8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述铜掺杂石墨烯的制备过程为：将氧化石墨烯水溶液、硫酸铜水溶液加入乙醇中，分散，静置，取上清液，分离、纯化、干燥，得到铜掺杂石墨烯。

9.根据权利要求8所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法，其特征在于：所述铜掺杂石墨烯的原料中，去离子水与乙醇的体积比为1:(6~8)，氧化石墨烯和硫酸铜的质量比为(0.9~1.2):5。

10.根据权利要求1~9任一项所述的一种基于石墨烯的铜集流体的制备方法制备得到的铜集流体。