一种碳结构集流体、电池负极、电池正极和锂电池的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及电化学电源技术领域，尤其涉及一种碳结构集流体、电池负极、电池正极和锂电池。
【背景技术】
[0002]近年来，随着移动电子电器和可穿戴设备的发展，锂电池得到了广泛的应用。但是目前的锂电池中，电池负极一般选用的是石墨，而石墨的理论比容量只有372mAh g—S其能量密度低，难以满足当今社会的需求，人们迫切需要一种高能量密度的电池来满足需求。而金属锂具有极高的容量密度(理论比容量为3860mAh g—D和最低的电势(-3.040V vs.标准氢电极)。但是金属锂用作电池负极时，在充放电过程中由于电流密度及锂离子分布不均等因素，锂离子在负极表面不均匀沉积形成枝晶。枝晶生长不仅会刺穿隔膜，造成电池短路，而且电池在循环过程中会反复消耗电解液，降低负极的利用率，从而造成了锂离子电池的循环性能差、安全性能低。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳结构集流体、电池负极、电池正极和锂电池，本发明提供的碳结构集流体、电池负极或电池正极制备得到的锂电池具有较好的循环性能以及安全性，而且能量密度较高。
[0004]本发明提供了一种碳结构集流体，包括:
[0005]泡沫石墨；
[0006]附着在所述泡沫石墨表面的氧化铝层；
[0007]附着在所述氧化铝层表面的碳纳米管。
[0008]优选的，所述泡沫石墨的密度为3mg cm—3?50mg cm—3。
[0009]优选的，所述泡沫石墨的厚度为1.7mm?1.9mm。
[0010]优选的，所述泡沫石墨的孔隙为400μηι?500μηι。
[00111 优选的，所述碳纳米管的直径为1nm?30nm。
[0012]优选的，所述碳纳米管和泡沫石墨的质量比为(2?4): I。
[0013I优选的，所述碳结构集流体的孔体积为0.ScnrV1?I.IcnrV1;
[0014I所述碳结构集流体的比表面积为23011^1?27 OmiV1。
[0015]本发明提供的碳结构集流体采用三维碳材料，金属锂沿着碳管骨架沉积生长，优先填满集流体的孔隙，避免了金属锂平面生长时的尖端效应。因此，本发明提供的碳集流体能够有效的抑制金属锂枝晶的生长。
[0016]本发明提供了一种电池负极，包括:
[0017]上述技术方案所述的碳结构集流体；
[0018]附着在所述碳结构集流体上的金属锂。
[0019]本发明提供了一种电池正极，包括上述技术方案所述的碳结构集流体。
[0020]在本发明中，所述碳结构集流体具有多孔结构，这种多孔结构能够用于负载金属锂或制备电池正极，可抑制金属锂枝晶的生长，使锂电池具有较好的循环性和安全性。
[0021]本发明提供了一种锂电池，包括上述技术方案所述的电池负极和/或上述技术方案所述的电池正极。
[0022]本发明提供的锂电池安全性高、寿命长，还具有较高的能量密度。
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0024]图1为本发明实施例1制备得到的泡沫石墨的图片；
[0025]图2为本发明实施例2制备得到的碳结构集流体的图片；
[0026]图3为本发明实施例3制备得到的电池负极的图片；
[0027 ]图4为本发明实施例4制备得到的电池的恒流充放电曲线；
[0028]图5为本发明实施例4制备得到的对称电池循环后的扫描电镜(SEM)图片；
[0029]图6为本发明实施例5制备得到的对称电池循环后的扫描电镜(SEM)图片；
[0030]图7为本发明实施例7制备得到的锂硫电池的首次充放电曲线；
[0031]图8为本发明实施例7制备得到的锂硫电池的循环次数-放电比容量曲线。
【具体实施方式】
[0032]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]本发明提供了一种碳结构集流体，包括:
[0034]泡沫石墨；
[0035]附着在所述泡沫石墨表面的氧化铝层；
[0036]附着在所述氧化铝层表面的碳纳米管。
[0037]本发明提供的碳结构集流体包括泡沫石墨。在本发明中，所述泡沫石墨的密度优选为3mg cm—3?50mg cm—3，更优选为1mg cm—3?40mg cm—3，最优选为20mg cm—3?30mg cm—3 o在本发明中，所述泡沫石墨的厚度优选为I.7mm?I.9mm，更优选为I.75mm?I.85mm，最优选为1.8mm。在本发明中，所述泡沫石墨的孔隙优选为400μηι?500μηι，更优选为420μηι?480μm ；更优选为440μηι?460μηι，最优选为450μηι。
[0038]在本发明中，所述泡沫石墨的制备方法优选为:
[0039]在泡沫金属表面利用化学气相沉积法生长石墨烯，得到石墨烯模板；
[0040]将所述石墨烯模板进行溶解或电解，得到泡沫石墨。
[0041]在本发明中，所述泡沫金属优选为多孔泡沫金属。在本发明中，所述泡沫金属优选为泡沫镍或泡沫铜。在本发明中，所述泡沫金属的孔径分布优选为10ppi?120ppi，更优选为105ppi?115ppi，最优选为llOppi。在本发明中，所述泡沫金属的面密度优选为30mg m—2?50mg m—2，更优选为35mg m—2?45mg m_2，最优选为40mg m_2。
[0042]本发明对所述化学气相沉积法生长石墨烯的具体方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的化学气相沉积法制备石墨烯的技术方案，以碳氢化合物进行化学气相沉积即可。在本发明中，所述化学气相沉积法生长石墨烯的生长温度优选为1000 °C?1100 °C，更优选为1 20 °C?1080 °C，最优选为1040 °C?1060 °C。在本发明中，所述化学气相沉积法生长石墨稀的生长时间优选为5分钟?90分钟，更优选为20分钟?70分钟，最优选为40分钟?50分钟。
[0043]在本发明中，所述化学气相沉积法生长石墨烯的具体过程为:
[0044]向泡沫金属中通入碳氢化合物后冷却，在泡沫金属表面生长石墨稀。
[0045]在本发明中，所述碳氢化合物优选为甲烷或乙烯。在本发明中，所述碳氢化合物的流量优选为40sccm?60sccm，更优选为45sccm?55sccm，最优选为50sccm。在本发明中，所述碳氢化合物的通入时间优选为3分钟?7分钟，更优选为5分钟。本发明优选在Ar的气氛中进行上述冷却。在本发明中，所述Ar的流量优选为400sccm?600sccm，更优选为450sccm?550sccm，最优选为500sccm。在本发明中，所述冷却的速度优选为5°C/min?15°C/min，更优选为 8°C/min?12°C/min，最优选为 10°C/min。
[0046]在本发明中，向泡沫金属中通入碳氢化合物之前优对泡沫金属进行退火。在本发明中，优选在Ar和出的混合气流下进行所述退火。在本发明中，所述退火过程中Ar的流量优选为300sccm?500sccm，更优选为350sccm?450sccm，最优选为400sccm。在本发明中，所述退火过程中H2的流量优选为40sccm?60sccm，更优选为45sccm?55sccm，最优选为50sccm。在本发明中，所述退火的温度优选为1000°C?1100°C，更优选为1020°C?1080°C，最优选为1050°C。在本发明中，所述退火的时间优选为20分钟?40分钟，更优选为25分钟?35分钟，最优选为30分钟。
[0047]在本发明中，将所述石墨烯模板进行溶解或电解，以去除石墨烯模板中的泡沫金属。在本发明中，所述溶解的溶剂优选为盐酸、硝酸或氯化铁。在本发明中，所述电解的电解液优选为含有镍盐的电解液。在本发明中，所述镍盐优选为氯化镍。在本发明中，所述镍盐在电解液中的浓度优选为0.5mol/L?1.5mol/L，更优选为0.8mol/L?1.2mol/L，最优选为lmol/L。在本发明中，所述电解的电压优选为2V?2.5V，更优选为2.2V。在本发明中，所述电解的时间优选为8分钟?12分钟，更优选为1分钟。
[0048]在本发明中，所述电解完成后，将得到的电解产物洗涤后干燥，得到泡沫石墨。在本发明中，所述洗涤的试剂优选为水和乙醇。在本发明中，所述水优选为去离子水。在本发明中，所述干燥的温度优选为40°C?60°C，更优选为45°C?55°C，最优选为50°C。
[0049]本发明提供的碳结构集流体包括附着在所述泡沫石墨表面的氧化铝层。在本发明中，所述氧化招层的厚度优选为Inm?10nm，更优选为2nm?8nm，最优选为3nm?6nm。在本发明中，所述氧化铝层的制备方法为:
[0050]在泡沫石墨表面沉积催化剂，形成催化剂层；
[0051 ]在所述催化剂层表面采用原子层沉积法沉积氧化铝，形成氧化铝层。
[0052]在本发明中，沉积催化剂的方法优选为磁控溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法或离子溅射法，更优选为磁控溅射法。在本发明中，所述催化剂优选为铁、钴或镍，更优选为铁。在本