一种网状金属-碳正极集流体及其制备方法与应用与流程

本发明属于锂离子电池，具体涉及到一种网状金属-碳正极集流体及其制备方法与应用。

背景技术：

1、锂离子电池是一种常见的可充电电池，广泛应用于移动设备、电动车辆和储能系统等领域。它由正极、负极、电解液和隔膜等组成。正极是锂离子插入材料的主要载体，负极用于锂离子的储存和释放，电解液中含有能够传递锂离子的溶液，隔膜用于隔离正负极。正极集流体是锂离子电池中的重要组成部分，用于支撑正极活性材料和传导电流。正极集流体的选择对电池性能至关重要，它需要具备较高的导电性、机械性能和耐腐蚀性。

2、然而，正极集流体在制备和应用过程中存在一些问题。正极集流体中铝箔容易在空气中氧化，形成氧化铝层，降低其导电性能，影响电池的性能。铝箔在电解液中容易发生反应，产生氢气和铝离子，导致电池内部压力的增加和铝离子的迁移，进而影响电池的寿命和性能。铝箔的机械性能对电池的循环寿命和安全性具有重要影响。铝箔需要具备足够的柔韧性和抗拉强度，以应对电池循环过程中的膨胀和收缩。铝箔的质量均匀性对电池的性能稳定性和一致性具有重要影响。不均匀的铝箔可能导致电池内部电流分布不均匀，影响电池的循环寿命和能量密度。

3、现有制备锂离子电池正极集流体的技术有多种，以下是其中一些常用的方法：

4、1)熔融法：将高纯度的铝材加热至熔点，然后将熔融的铝液浇铸在平台上，经过冷却和固化后形成铝箔。此方法需要高温条件下进行，不仅能耗较高，还可能引发铝液的氧化问题，同时对设备和环境要求较高。

5、2)轧制法：将高纯度的铝材通过轧制机械，经过多次轧制和拉伸，逐渐减小厚度，形成铝箔。轧制法制备铝箔需要多次轧制和拉伸过程，过程繁琐，能耗较大，且需要较大的设备和空间。

6、3)混合物法：将铝粉末与其他添加剂混合，然后通过压制和热处理的方式，使其形成铝箔。混合物法制备的铝箔通常相对较粗糙，表面不够光滑，可能会影响电池的接触性能。

7、4)化学法：利用化学反应制备铝箔，常见的方法是通过电解或化学还原将铝盐溶液中的铝离子还原成铝金属，并在合适的基底上形成铝箔。化学法制备铝箔通常需要使用一些化学试剂，涉及到化学反应和处理过程，对工艺控制要求较高，同时也可能产生一些有害废物。

8、综上所述，虽然这些方法可以制备锂离子电池正极集流体，但每种方法都存在一些缺点，需要在制备过程中进行调整和改进，以达到预期的锂离子电池正极集流体的优势。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种网状金属-碳正极集流体及其制备方法与应用，首次通过烧结溶解法制备网状金属(铝/镍/铜/锌)，接着在网状金属上沉积碳材料，最后得到网状金属-碳正极集流体，具有较好的导电性、较低的电阻损失、较好的耐腐蚀性，进一步提高了锂离子电池的性能。

2、第一方面，本发明提供了一种网状金属-碳正极集流体的制备方法，包括以下步骤：

3、混合金属粉末和氯化钠粉末，倒入模具中压制成型，再进行烧结，得到网状金属；

4、将所述网状金属在碳源中进行气相沉积反应，制得碳沉积的网状金属；

5、将碳沉积的网状金属经过热压后，即可制得网状金属-碳正极集流体；

6、其中，所述烧结的温度为700～900℃，烧结的时间为2.5～3.5h。优选的，烧结的温度为800℃，烧结的时间为3h。

7、上述方案中，采用烧结溶解法制备网状金属，制备泡沫金属的过程中，金属粉和熔盐粉末会起到不同的作用。例如，铝粉是泡沫金属铝的主要原料，它是制备泡沫金属铝的基础。铝粉在烧结过程中会熔化，然后形成液态铝，液态铝会在高温下与气泡剂反应，产生气体，从而形成孔隙结构，最终形成泡沫金属铝。氯化钠粉末在制备泡沫金属铝的过程中作为气泡剂的一种。氯化钠在高温下分解，释放出氯气，氯气与铝粉的反应会产生气体，从而形成气泡结构。气泡结构的形成是泡沫金属铝具有轻质和孔隙性质的关键。因此，铝粉和氯化钠粉末在制备泡沫金属铝时分别起到了铝原料和气泡剂的作用，两者相互配合，共同促使泡沫金属铝的形成。

8、进一步地，所述金属粉末与氯化钠粉末的摩尔比为1:1，混合过程中的搅拌速度为45～50rpm，搅拌时间为50～70min。

9、本发明中，还可以将铝粉替换为镍粉、锌粉、铜粉等，用于制备相应的网状金属集流体。

10、进一步地，所述热压的温度为180～240℃，热压的压力为12～18mpa，热压的时间为98～105s。

11、进一步地，烧结后，将产物冷却至室温，再置于盐水中浸泡60min以上，除去残余氯化钠。

12、上述方案中采用了溶盐处理，其原理是基于溶液中的离子交换作用。当样品浸泡在盐溶液中时，溶液中的离子会与样品中的杂质离子发生交换反应。在这种交换反应中，溶液中的阳离子会与样品中的杂质阴离子结合，形成可溶于溶液中的化合物，从而被移除。主要使用盐溶液进行浸泡处理，将残留的氯化钠转化为可溶解的盐，然后通过彻底清洗样品将盐洗去。可以使用氯化钠溶液或氯化钾溶液或氯化铵溶液作为盐水溶液。将待处理的泡沫金属铝样品浸泡在盐水溶液中，确保样品完全浸泡。在盐水溶液中浸泡一定时间，以使盐溶液与残留的氯化钠发生反应，将其转化为可溶解的盐。取出样品后，用清水充分冲洗，确保将溶解的盐彻底洗去。

13、进一步地，所述气相沉积反应的反应温度为580～660℃，反应时间为100～150min。

14、上述方案中，采用气相沉积在网状金属铝上沉积碳材料。气相沉积法是一种常用的将碳材料沉积在金属表面的方法。在网状金属铝上沉积碳材料时，可以使用一种含碳化合物的气体作为前驱体。这种气体可以是甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔等。当这种气体与金属表面接触时发生化学反应，产生碳原子并沉积在金属表面形成碳膜。

15、第二方面，本发明提供了一种第一方面任一所述的网状金属-碳正极集流体的制备方法制备得到的网状金属-碳正极集流体。

16、上述方案中，制得的网状金属-碳正极集流体综合具有良好的导电性和循环性能等优点，对于提升电池性能、延长电池寿命以及实现锂离子电池应用具有重要意义。

17、第三方面，本发明提供了一种第一方面任一所述的网状金属-碳正极集流体在制备锂离子电池中的应用。

18、进一步地，所述锂离子电池通过以下方法制备得到：

19、将正极浆料和负极浆料分别涂抹于所述网状金属-碳正极集流体和负极集流体上，制得电池正极极片和电池负极极片；

20、将所述电池正极极片、电池负极极片、电解液、隔膜和壳体组装后，制得。

21、本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点：

22、1、本发明首次通过烧结溶解法制备网状金属材料，以网状金属铝为例，在网状金属铝上沉积碳材料，最后得到网状金属-碳正极集流体。

23、铝碳正极集流体优点主要体现在以下几个方面：

24、电导率优异：铝碳正极集流体具有较高的电导率，能够提供更好的电子传导性能。这有助于减少电池内阻，提高电池的放电性能和充电效率。

25、耐腐蚀性强：铝碳正极集流体相对于纯铝箔更具抗腐蚀性能，能够更好地抵御电池中的电解液和氧化环境对正极的腐蚀作用，延长电池的使用寿命。

26、机械性能好：铝碳正极集流体相对于纯铝箔具有更好的机械性能，能够更好地抵抗电池的物理变形和挤压等外部力的作用，增加电池的稳定性和安全性。

27、重量轻：相比纯铝箔，铝碳正极集流体通常采用复合材料制备，能够减少电池的整体重量，提高电池的能量密度和功率密度。

28、综上所述，铝碳正极集流体具有更好的电导性、耐腐蚀性、机械性能和轻量化等优点，能够提升锂离子电池的性能和使用寿命。

29、2、本发明制备的网状金属-碳正极集流体，将其应用在锂离子电池中具有较好的循环稳定性，能够在多次充放电循环中保持较高的容量和循环效率，提高电池的循环寿命。