具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電動汽車、便攜式用電器等領(lǐng)域的發(fā)展對于儲能設(shè)備提出了很高的要求，而電池，特別是鋰離子電池因?yàn)槟芰棵芏却?、動力特性好等?yōu)勢被廣泛使用。電池一般由正負(fù)兩個電極、隔膜以及電解液構(gòu)成。
[0003]傳統(tǒng)的電極是將電極材料用高分子等粘結(jié)劑固定在集流器上，集流器一般是金屬箔片，例如銅箔。但是這種結(jié)構(gòu)在反復(fù)充放電過程中很容易被破壞，導(dǎo)致電極材料和集流器失去電學(xué)上的連接，導(dǎo)致電池容量下降，電化學(xué)表現(xiàn)不穩(wěn)定。特別是對于鋰離子電池中硅、錫等合金類電極，由于在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時會發(fā)生劇烈的體積變化，傳統(tǒng)的電極結(jié)構(gòu)更是難以保持穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，克服上述傳統(tǒng)集流器的不足，提供一種具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器及其制備方法。本發(fā)明將電極材料封裝在導(dǎo)體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，得到具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器，能夠有效提高電極的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性，制備工藝簡單，成本低廉。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器，所述集流器以具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體為基體，基體內(nèi)部有連結(jié)到表面的通道，表面有微孔；基體的三維網(wǎng)孔中填充電極材料。
[0007]進(jìn)一步地，所述具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體為泡沫金屬。
[0008]進(jìn)一步地，所述泡沫金屬為Cu、Ni, NiCrFe, ZnCu, NiCu, NiCrff 或 NiFe。
[0009]上述具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)將具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體切割成塊狀；
[0011](2)將電極材料溶解后滴加到上述塊狀導(dǎo)體中，然后蒸發(fā)溶劑；
[0012](3)將上述塊狀導(dǎo)體壓成薄片狀；
[0013](4)用超聲清洗洗去薄片表面的電極材料，烘干，得到三維結(jié)構(gòu)的電池集流器。
[0014]可選地，步驟(2)中溶解電極材料所用的溶劑為乙醇。
[0015]可選地，步驟(3)中采用滾壓的方式將泡沫金屬壓成薄片狀。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017]本發(fā)明使用材料來源廣泛，制備工藝簡單，成本低廉；將電極材料限制在集流器內(nèi)部而非表面，可以減少電極材料在充放電過程中的不可逆損失，穩(wěn)定電極的電化學(xué)表現(xiàn)，提高電極的循環(huán)使用壽命；制備過程避免高分子材料的使用，降低對環(huán)境造成的污染。
【附圖說明】
[0018]圖1為實(shí)施例1泡沫金屬銅的掃描電子顯微鏡照片。
[0019]圖2為以實(shí)施例1制備的三維集流器和傳統(tǒng)集流器制成的硅電極在全充放電條件下的循環(huán)曲線，測試條件為對鋰電位0-1V、電流0.4A/g、室溫。
[0020]圖3為以實(shí)施例2制備的三維集流器制成的硅電極在1000mAh/g的恒容充放電條件下的循環(huán)曲線，測試條件為對鋰電位0-1V、電流0.35A/g、室溫。
[0021]圖4為實(shí)施例1制備的三維集流器的表面掃描電子顯微鏡照片。
[0022]圖5為實(shí)施例1制備的三維集流器的截面掃描電子顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述，有必要在此指出的是以下實(shí)施例僅用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本
【發(fā)明內(nèi)容】
對本發(fā)明所做的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，都不能脫離于本發(fā)明的保護(hù)范疇。
[0024]實(shí)施例1
[0025]用于鋰離子電池中硅負(fù)極的泡沫銅集流器:
[0026]將粒徑為5 μ m的硅顆粒溶解于乙醇中，得到濃度10g/L的溶液，將該溶液滴加到孔徑為幾百微米的泡沫金屬銅中，在烘箱中蒸發(fā)掉乙醇得到干燥的、內(nèi)部含有硅顆粒的泡沫銅；采用滾壓的方式將塊狀泡沫銅壓成薄片狀；將其置于乙醇溶液中超聲清洗洗去表面附著的硅顆粒，在烘箱中烘干，得到可用于鋰離子電池中硅負(fù)極的泡沫銅集流器。
[0027]在氬氣環(huán)境的手套箱中分別使用上述泡沫銅集流器和傳統(tǒng)集流器組裝電池，硅電極作為工作電極，金屬鋰作為對電極，電解液含有碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)/氟代碳酸乙烯酯(FEC)。對組裝成的電池進(jìn)行電化學(xué)性能測試，循環(huán)曲線見圖2，由圖可見，使用三維集流器的電池性能穩(wěn)定，全充放電條件下循環(huán)400次，仍舊剩余近1000mAh/g的容量，并且具有很高的庫侖效率，初始庫侖效率大于80% ;而使用傳統(tǒng)集流器組裝的電池，容量衰減極快，不到50個循環(huán)，容量就低于100mAh/g，這說明三維集流器在保持電池的電化學(xué)穩(wěn)定循環(huán)中起到了關(guān)鍵作用。
[0028]由圖1可見，泡沫金屬銅具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部有連結(jié)到表面的通道，表面有大量微孔存在；由圖4集流器表面掃描電鏡照片可見，集流器表面平整，有許多不規(guī)則狀的、通向集流器內(nèi)部的微孔存在；由圖5集流器截面掃描電鏡照片可見，集流器內(nèi)部含有大量硅電極材料，且均勻分布在三維網(wǎng)孔中。
[0029]實(shí)施例2
[0030]用于鋰離子電池中硅負(fù)極的泡沫鎳集流器:
[0031 ] 將粒徑為5 μ m的硅顆粒溶解于乙醇中，得到濃度10g/L的溶液，將該溶液滴加到孔徑為幾百微米的泡沫金屬鎳中，在烘箱中蒸發(fā)掉乙醇得到干燥的、內(nèi)部含有硅顆粒的泡沫鎳；采用滾壓的方式將塊狀泡沫鎳壓成薄片狀；將其置于乙醇溶液中超聲清洗洗去表面附著的硅顆粒，在烘箱中烘干，得到可用于鋰離子電池中硅負(fù)極的泡沫鎳集流器。
[0032]在氬氣環(huán)境的手套箱中使用上述泡沫鎳集流器組裝電池，硅電極作為工作電極，金屬鋰作為對電極，電解液含有碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)/氟代碳酸乙烯酯(FEC)。對組裝成的電池進(jìn)行電化學(xué)性能測試，循環(huán)曲線見圖3，由圖可見，在1000mAh/g的恒容充放電條件測試中，該電極可以穩(wěn)定循環(huán)200次而沒有明顯的容量衰減，相比于傳統(tǒng)的集流器所構(gòu)成的電極，循環(huán)性能有顯著的提高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器，其特征在于，所述集流器以具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體為基體，基體內(nèi)部有連結(jié)到表面的通道，表面有微孔；基體的三維網(wǎng)孔中填充電極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器，其特征在于，所述具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體為泡沫金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器，其特征在于，所述泡沫金屬為Cu、N1、Ni CrFe、ZnCu、Ni Cu、NiCrff 或 NiFe。
4.權(quán)利要求1-3所述具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體切割成塊狀； (2)將電極材料溶解后滴加到上述塊狀導(dǎo)體中，然后蒸發(fā)溶劑； (3)將上述塊狀導(dǎo)體壓成薄片狀； (4)用超聲清洗洗去薄片表面的電極材料，烘干，得到三維結(jié)構(gòu)的電池集流器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器的制備方法，其特征在于，步驟(2)中溶解電極材料所用的溶劑為乙醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器的制備方法，其特征在于，步驟(3)中采用滾壓的方式將泡沫金屬壓成薄片狀。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器及其制備方法。本發(fā)明的電池集流器以具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體為基體，基體內(nèi)部有連結(jié)到表面的通道，表面有微孔；基體的三維網(wǎng)孔中填充電極材料。本發(fā)明將電極材料配制成溶液滴加到具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的塊狀導(dǎo)體中，施壓將塊狀導(dǎo)體壓成薄片狀并將電極材料封裝在三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，得到上述具有三維結(jié)構(gòu)的電池集流器。本發(fā)明使用材料來源廣泛，制備工藝簡單，成本低廉；將電極材料限制在集流器內(nèi)部而非表面，可以減少電極材料在充放電過程中的不可逆損失，穩(wěn)定電極的電化學(xué)表現(xiàn)，提高電極的循環(huán)使用壽命。
【IPC分類】H01M4-80
【公開號】CN104577136
【申請?zhí)枴緾N201410806499
【發(fā)明人】趙春松, 李抒威, 伍暉, 潘偉
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月22日