一种无负极锂金属电池用集流体制备方法及集流体和应用与流程

本发明涉及一种无负极锂金属电池用集流体制备方法及集流体和应用，属于新能源。

背景技术：

1、开发新型高能量密度二次电池体系是保障我国能源安全、推动我国能源产业升级的重要一环。目前广泛应用的商业化锂离子电池能量密度已接近理论上限，具有更高能量密度的新型二次电池体系亟待开发。近年来，采用低电位、高容量的金属锂代替石墨负极组装而成的锂金属电池逐渐受到研究人员的广泛关注。然而，由于金属锂的高反应活性，锂金属电池对电池的组装环境要求极为苛刻。且金属锂箔制造难度大、储存成本高，生产安全问题突出，故目前锂金属电池难以实现大规模生产。同时，锂金属电池在循环过程中易在负极侧生成枝晶状金属锂，甚至存在锂枝晶刺穿隔膜造成电池内短路从而引起电池热失控的风险，极大限制了锂金属电池的发展与应用。

2、无负极锂金属电池有望成为解决上述难题的理想方案。与普通锂金属电池不同，该电池体系中所有锂源均由正极活性物质提供，无需使用活泼金属锂。由于电池体系中不存在预置的负极活性组分，无负极锂金属电池的能量密度较商业化锂离子电池大幅提升。同时，这一电池体系未使用高度活泼的金属锂，故而在电池组装的过程中不需要维持严苛的组装环境，可直接兼容锂离子电池的生产线，易于实现大规模工业化生产。然而，由于常用金属集流体（如铜、镍集流体）与锂亲和性差，金属锂在其表面的沉积困难，并容易形成枝晶引起电池短路，限制了无负极锂金属电池的应用。

3、中国专利申请cn114597421a中公开了一种无负极锂金属电池负极集流体及其制备方法和应用，所述负极集流体的制备方法为：将粘结剂和导电高分子聚合物与溶剂混合，得到浆料；然后将浆料涂覆在铜箔表面，真空干燥后得到所述负极集流体，其中导电高分子聚合物包括聚吡咯和/或聚苯胺中的任意一种或至少两种的组合。这种制备方法，需要先聚合制备导电高分子聚合物，然后再通过溶剂导电高分子聚合物，并加入粘结剂，涂覆到铜箔表面后，再脱除溶剂得到负极集流体，制备方法繁杂，不易操作，而且在实际操作中很容易导致负极集流体表面出现均匀度差的问题，导致电池一致性差。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种无负极锂金属电池用集流体制备方法及集流体和应用，所述集流体可在电池化成过程中与活性锂组分形成亲锂合金位点，可诱导均匀的锂沉积，从而提高电池库伦效率、延长电池循环寿命，解决了无负极锂金属电池安全性差、使用寿命短的难题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，所述制备方法为：

3、惰性气体保护下，将亲锂纳米颗粒和引发剂均匀的分散在n-乙烯基吡咯烷酮和n-氰乙烯基吡咯烷酮的混合溶液中形成浆料，将所述浆料均匀涂布在金属集流体表面并通过加热原位聚合，得到无负极锂金属电池用集流体。

4、进一步的，所述亲锂纳米颗粒选自纳米银粉、纳米锡粉、纳米锌粉、纳米氧化银、纳米二氧化锡、纳米氧化锌中的至少一种。

5、进一步的，所述引发剂选自偶氮二异丁腈、过氧化邻苯二甲酰中的至少一种，所述引发剂用量为所述浆料总质量的0.08~0.20%。

6、优选的，所述引发剂为偶氮二异丁腈。

7、进一步的，所述金属集流体为铜集流体、镍集流体中的一种。

8、进一步的，所述亲锂纳米颗粒选的粒径为50~100 nm，所述的亲锂纳米颗粒用量为所述浆料总质量的15~40%。

9、进一步的，进一步的，所述n-乙烯基吡咯烷酮用量占所述浆料总质量的35~75%；所述n-氰乙烯基吡咯烷酮用量占所述浆料总质量的5~30%。

10、进一步的，加热原位聚合的温度为60-120℃，加热原位聚合时间为1-5h。

11、进一步的，将所述浆料均匀涂布在金属集流体表面所使用的涂布方法为刮刀涂布法或旋转涂布法。

12、本发明还公开了一种无负极锂金属电池用集流体，所述集流体为通过本发明所述制备方法制得的。

13、本发明还公开了一种无负极锂金属电池用集流体的应用，所述集流体应用于无负极锂金属电池。

14、本发明的有益效果是：

15、（1）本发明所述制备方法利用原位聚合概念，向n-乙烯基吡咯烷酮中引入含有强极性的氰基结构的n-氰乙烯基吡咯烷酮，增强亲锂纳米颗粒与集流体的黏结强度，确保活性材料不脱落，从而提高电池的循环寿命，同时n-氰乙烯基吡咯烷酮还能够避免n-乙烯基吡咯烷酮聚合后的晶化现象。

16、（2）本发明所述制备方法采用原位聚合法得到的集流体，可在电池化成过程中与活性锂组分形成亲锂合金位点，其上的锂沉积成核势垒远低于金属集流体，故可诱导均匀的锂沉积，从而提高电池库伦效率、延长电池循环寿命。

17、（3）本发明采用原位聚合法所制备的集流体能够减少电解液与金属集流体及锂沉积产物的接触，抑制负极侧副反应的进行，以减少锂源损失进而延长电池的使用寿命。同时，n-乙烯基吡咯烷酮和n-氰乙烯基吡咯烷酮混合液原位聚合后的聚合物，能够通过物理压制作用抑制锂枝晶的生长，降低枝晶状锂刺穿隔膜造成电池内短路的风险。

18、（4）本发明所述集流体制备方法工艺简单，成本低廉，可直接用于锂离子电池极片生产线，适用于大规模工业化生产。

技术特征：

1.一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，所述制备方法为：

2.根据权利要求1所述一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，所述亲锂纳米颗粒选自纳米银粉、纳米锡粉、纳米锌粉、纳米氧化银、纳米二氧化锡、纳米氧化锌中的至少一种。

3.根据权利要求1所述一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，所述引发剂选自偶氮二异丁腈、过氧化邻苯二甲酰中的至少一种；

4.根据权利要求1所述一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，所述金属集流体为铜集流体、镍集流体中的一种。

5.根据权利要求1所述一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，所述亲锂纳米颗粒选的粒径为50~100nm，所述的亲锂纳米颗粒用量为所述浆料总质量的15~40%。

6.根据权利要求1所述一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，所述n-乙烯基吡咯烷酮用量占所述浆料总质量的35~75%；所述n-氰乙烯基吡咯烷酮用量占所述浆料总质量的5~30%。

7.根据权利要求1所述一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，加热原位聚合的温度为60-120℃，加热原位聚合时间为1-5h。

8.根据权利要求1所述一种无负极锂金属电池用集流体制备方法，其特征在于，将所述浆料均匀涂布在金属集流体表面所使用的涂布方法为刮刀涂布法或旋转涂布法。

9.一种无负极锂金属电池用集流体，其特征在于，所述集流体为通过权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的。

10.一种无负极锂金属电池用集流体的应用，其特征在于，权利要求9所述集流体应用于无负极锂金属电池。

技术总结
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种无负极锂金属电池用集流体制备方法及集流体和应用，所述制备方法为：惰性气体保护下，将亲锂纳米颗粒和引发剂均匀的分散在N‑乙烯基吡咯烷酮和N‑氰乙烯基吡咯烷酮的混合溶液中形成浆料，将所述浆料均匀涂布在金属集流体表面并通过加热原位聚合，得到无负极锂金属电池用集流体。所述N‑乙烯基吡咯烷酮用量占所述浆料总质量的35~75%；所述N‑氰乙烯基吡咯烷酮用量占所述浆料总质量的5~30%。本发明所述制备方法采用原位聚合法得到的集流体，可在电池化成过程中与活性锂组分形成亲锂合金位点，可诱导均匀的锂沉积，从而提高电池库伦效率、延长电池循环寿命。

技术研发人员：王治宇,邢建博,邱介山,林存生,石宇,胡葆华
受保护的技术使用者：中节能万润股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11