一种银碳复合金属锂负极及其制备方法

1.本发明属于锂电池处理技术领域，具体涉及一种银碳复合金属锂负极及其制备方法。


背景技术：

2.金属锂因有最小电化学电位，最小密度，最大的理论容量而备受注目。但当金属锂作为电池的负极时存在部分缺陷，比如li与空气、水汽进行反应。同时，金属锂沉积导致表层形貌状态不均匀，通过腐蚀、热堆积造成短路等会引发局部温度升高，甚至爆炸。从根本上讲，电池负极选用金属锂有以下问题：(1)金属锂高活性，与多种物质发生反应，产生多种产物，导致库仑效率低，活性物质流失；(2)表层电位的不均称分布诱导生成枝晶和没有活性的锂，甚至刺穿隔膜，导致整个安全问题的存在。所以，锂枝晶的滋生和锂沉积行为不均匀的问题，是目前亟待解决的重要问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决现有金属锂负极存在的锂枝晶的滋生和锂沉积行为不均匀的技术问题，提供一种银碳复合金属锂负极及其制备方法。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种银碳复合金属锂负极，其所述银碳复合金属锂负极为在铜箔表面附着负极材料，所述负极材料由银碳复合负极材料和沉积锂构成。
6.一种银碳复合金属锂负极的制备方法，其包括以下步骤：
7.1)、将碳基材料树脂浸泡于硝酸银溶液中，充分反应后得到ag替代后的离子交换树脂微球；
8.2)、碳化处理，将离子交换树脂微球装入高温管式炉中并通入惰性气体，同时再通入水蒸气造孔，使离子交换树脂微球碳化刻蚀纳米孔洞，然后干燥处理进行研磨，研磨后得到银碳复合负极材料；
9.3)、将银碳复合负极材料制成浆料并涂抹到铜箔上，得到表面附着有银碳复合负极材料涂层的铜箔；
10.4)、对附着涂层的铜箔进行切片处理，并进行cu|li半电池的组装，将组装后的cu|li半电池进行放电；
11.5)、将放电后的半电池铜箔取出，得到锂沉积后的银碳复合金属锂负极。
12.进一步地，所述碳基材料树脂为活化处理后的强酸性阳离子交换树脂。
13.进一步地，所述硝酸银溶液浓度为8-13mol l-1
。
14.进一步地，所述碳化的温度为800℃-1000℃，保持时间为1-3h。
15.进一步地，所述干燥处理为在70℃下干燥12h，得到银元素与碳材料以化合键相连的银碳复合负极材料。
16.进一步地，所述将银碳复合负极材料制成浆料是指：将重量百分比为85％-99％的
银碳复合负极材料和重量百分比为15％-1％的粘结剂放入研钵里碾碎混合30min，然后滴入溶剂搅拌均匀成为胶状即制成浆料；所述溶剂的加入量依据胶状程度而定。
17.进一步地，所述切片为将附着涂层的铜箔冲压成直径12mm的圆形极片。
18.进一步地，所述cu|li半电池的组装顺序由上至下依次为：正极壳、弹簧片、垫片、对电极锂片、隔膜、电解液、切片后的附着涂层的铜箔和负极壳。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明采用上述技术方案，解决了现有金属锂负极存在的锂枝晶的滋生和锂沉积行为不均匀的技术问题，提高了锂电池的库伦效率和电池寿命。
附图说明
21.图1是本发明银碳复合负极材料在氮气中的热重曲线图；
22.图2是本发明银碳复合负极材料的扫描电子显微镜图；
23.图3是本发明半电池装配示意图；
24.图4是本发明银碳复合电极和普通商用铜箔集流体在0.5ma cm-2
的电流密度、面积比容量0.5mah cm-2
的循环电化学性能对比图；
25.图5是本发明银碳复合电极和普通商用铜箔集流体在1.0ma cm-2
的电流密度、面积比容量1.0mah cm-2
的循环电化学性能对比图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
27.实施例1
28.本实施例中的一种银碳复合金属锂负极，其所述银碳复合金属锂负极为在铜箔表面附着负极材料，所述负极材料由银碳复合负极材料和沉积锂构成。
29.上述银碳复合金属锂负极的制备方法，其包括以下步骤：
30.1)、将碳基材料树脂浸没于硝酸银溶液中(二者质量体积比小于10g:5ml)，充分反应后得到ag替代后的离子交换树脂微球；所述碳基材料树脂为活化处理后的强酸性阳离子交换树脂，所述硝酸银溶液浓度为10mol l-1
。
31.2)、碳化处理，将离子交换树脂微球装入高温管式炉中并通入惰性气体，同时再通入水蒸气造孔，使离子交换树脂微球碳化刻蚀纳米孔洞，然后干燥处理进行研磨，研磨后得到银碳复合负极材料；所述碳化的温度为900℃，保持时间为2h，所述干燥处理为在70℃下真空干燥12h，得到银元素与碳材料以化合键相连的银碳复合负极材料。
32.3)、将银碳复合负极材料制成浆料并涂抹到铜箔上，得到表面附着有银碳复合负极材料涂层的铜箔；所述将银碳复合负极材料制成浆料是指：将重量百分比为97％的银碳复合负极材料和重量百分比为3％的粘结剂放入研钵里碾碎混合30min，然后滴入溶剂搅拌均匀成为胶状即制成浆料；所述溶剂的加入量依据胶状程度而定；所述粘结剂为聚偏二氟乙烯(pvdf)，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)。
33.4)、对附着涂层的铜箔进行切片处理，并进行cu|li半电池的组装，将组装后的cu|li半电池进行放电，面积比容量为1mah cm-2
或2mah cm-2
；所述切片为将附着涂层的铜箔冲压成直径12mm的圆形极片；所述cu|li半电池的组装顺序由上至下依次为：正极壳、弹簧片、
垫片、对电极锂片、隔膜、电解液、切片后的附着涂层的铜箔和负极壳，如图3所示。
34.5)、将放电后的半电池铜箔取出，得到锂沉积后的银碳复合金属锂负极。
35.实施例2
36.本实施例中的一种银碳复合金属锂负极与实施例1中的相同。
37.上述银碳复合金属锂负极的制备方法，其包括以下步骤：
38.1)、将碳基材料树脂浸没于硝酸银溶液中(二者质量体积比小于10g:5ml)，充分反应后得到ag替代后的离子交换树脂微球；所述碳基材料树脂为活化处理后的强酸性阳离子交换树脂，所述硝酸银溶液浓度为8mol l-1
。
39.2)、碳化处理，将离子交换树脂微球装入高温管式炉中并通入惰性气体，同时再通入水蒸气造孔，使离子交换树脂微球碳化刻蚀纳米孔洞，然后干燥处理进行研磨，研磨后得到银碳复合负极材料；所述碳化的温度为800℃，保持时间为3h，所述干燥处理为在70℃下真空干燥12h，得到银元素与碳材料以化合键相连的银碳复合负极材料。
40.3)、将银碳复合负极材料制成浆料并涂抹到铜箔上，得到表面附着有银碳复合负极材料涂层的铜箔；所述将银碳复合负极材料制成浆料是指：将重量百分比为85％的银碳复合负极材料和重量百分比为15％的粘结剂放入研钵里碾碎混合30min，然后滴入溶剂搅拌均匀成为胶状即制成浆料；所述溶剂的加入量依据胶状程度而定；所述粘结剂为聚偏二氟乙烯(pvdf)，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)。
41.本实施例中的步骤4)和步骤5)与实施例1中的相同。
42.实施例3
43.本实施例中的一种银碳复合金属锂负极与实施例1中的相同。
44.上述银碳复合金属锂负极的制备方法，其包括以下步骤：
45.1)、将碳基材料树脂浸没于硝酸银溶液中(二者质量体积比小于10g:5ml)，充分反应后得到ag替代后的离子交换树脂微球；所述碳基材料树脂为活化处理后的强酸性阳离子交换树脂，所述硝酸银溶液浓度为13mol l-1
。
46.2)、碳化处理，将离子交换树脂微球装入高温管式炉中并通入惰性气体，同时再通入水蒸气造孔，使离子交换树脂微球碳化刻蚀纳米孔洞，然后干燥处理进行研磨，研磨后得到银碳复合负极材料；所述碳化的温度为1000℃，保持时间为1h，所述干燥处理为在70℃下真空干燥12h，得到银元素与碳材料以化合键相连的银碳复合负极材料。
47.3)、将银碳复合负极材料制成浆料并涂抹到铜箔上，得到表面附着有银碳复合负极材料涂层的铜箔；所述将银碳复合负极材料制成浆料是指：将重量百分比为99％的银碳复合负极材料和重量百分比为1％的粘结剂放入研钵里碾碎混合30min，然后滴入溶剂搅拌均匀成为胶状即制成浆料；所述溶剂的加入量依据胶状程度而定；所述粘结剂为聚偏二氟乙烯(pvdf)，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)。
48.本实施例中的步骤4)和步骤5)与实施例1中的相同。
49.为验证银碳复合负极材料的效果，本发明对制备的银碳复合负极材料进行了热重测试和表面形貌观测，测试及观测结果如下。
50.图1为银碳复合负极材料在空气中以15℃min升温至800℃所得到的热重(tg)曲线。所述热重测试过程中出现了三个失重区间。表明银碳以化学键的形式相结合。
51.图2是银碳(agc)复合负极材料的透视电子显微镜(sem)图像，可以观察到没有ag
分散均一，且具有纳米级多孔结构。表明制备的银碳复合负极材料的三维结构稳定。
52.为表明本发明的性能。对银碳复合负极进行了电化学性能测试，结果见图4～5。图4为0.5ma cm-2
的电流密度、面积比容量0.5mah cm-2
时，agc的电极在230圈内平均库仑效率是99.8％。图5为1.0ma cm-2
的电流密度、面积比容量1.0mah cm-2
的时候，agc的电极在265圈内平均库仑效率为100％。