具有三维结构的电池集流器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电池应用技术领域，涉及一种具有三维结构的电池集流器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]电动汽车、便携式用电器等领域的发展对于储能设备提出了很高的要求，而电池，特别是锂离子电池因为能量密度大、动力特性好等优势被广泛使用。电池一般由正负两个电极、隔膜以及电解液构成。
[0003]传统的电极是将电极材料用高分子等粘结剂固定在集流器上，集流器一般是金属箔片，例如铜箔。但是这种结构在反复充放电过程中很容易被破坏，导致电极材料和集流器失去电学上的连接，导致电池容量下降，电化学表现不稳定。特别是对于锂离子电池中硅、锡等合金类电极，由于在发生电化学反应时会发生剧烈的体积变化，传统的电极结构更是难以保持稳定。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，克服上述传统集流器的不足，提供一种具有三维结构的电池集流器及其制备方法。本发明将电极材料封装在导体的三维网状结构中，得到具有三维结构的电池集流器，能够有效提高电极的结构和电化学性质的稳定性，制备工艺简单，成本低廉。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种具有三维结构的电池集流器，所述集流器以具有三维网状结构的导体为基体，基体内部有连结到表面的通道，表面有微孔；基体的三维网孔中填充电极材料。
[0007]进一步地，所述具有三维网状结构的导体为泡沫金属。
[0008]进一步地，所述泡沫金属为Cu、Ni, NiCrFe, ZnCu, NiCu, NiCrff 或 NiFe。
[0009]上述具有三维结构的电池集流器的制备方法，包括以下步骤:
[0010](I)将具有三维网状结构的导体切割成块状；
[0011](2)将电极材料溶解后滴加到上述块状导体中，然后蒸发溶剂；
[0012](3)将上述块状导体压成薄片状；
[0013](4)用超声清洗洗去薄片表面的电极材料，烘干，得到三维结构的电池集流器。
[0014]可选地，步骤(2)中溶解电极材料所用的溶剂为乙醇。
[0015]可选地，步骤(3)中采用滚压的方式将泡沫金属压成薄片状。
[0016]本发明的有益效果:
[0017]本发明使用材料来源广泛，制备工艺简单，成本低廉；将电极材料限制在集流器内部而非表面，可以减少电极材料在充放电过程中的不可逆损失，稳定电极的电化学表现，提高电极的循环使用寿命；制备过程避免高分子材料的使用，降低对环境造成的污染。
【附图说明】
[0018]图1为实施例1泡沫金属铜的扫描电子显微镜照片。
[0019]图2为以实施例1制备的三维集流器和传统集流器制成的硅电极在全充放电条件下的循环曲线，测试条件为对锂电位0-1V、电流0.4A/g、室温。
[0020]图3为以实施例2制备的三维集流器制成的硅电极在1000mAh/g的恒容充放电条件下的循环曲线，测试条件为对锂电位0-1V、电流0.35A/g、室温。
[0021]图4为实施例1制备的三维集流器的表面扫描电子显微镜照片。
[0022]图5为实施例1制备的三维集流器的截面扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例仅用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。该领域的技术熟练人员根据上述本
【发明内容】
对本发明所做的一些非本质的改进和调整，都不能脱离于本发明的保护范畴。
[0024]实施例1
[0025]用于锂离子电池中硅负极的泡沫铜集流器:
[0026]将粒径为5 μ m的硅颗粒溶解于乙醇中，得到浓度10g/L的溶液，将该溶液滴加到孔径为几百微米的泡沫金属铜中，在烘箱中蒸发掉乙醇得到干燥的、内部含有硅颗粒的泡沫铜；采用滚压的方式将块状泡沫铜压成薄片状；将其置于乙醇溶液中超声清洗洗去表面附着的硅颗粒，在烘箱中烘干，得到可用于锂离子电池中硅负极的泡沫铜集流器。
[0027]在氩气环境的手套箱中分别使用上述泡沫铜集流器和传统集流器组装电池，硅电极作为工作电极，金属锂作为对电极，电解液含有碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)/氟代碳酸乙烯酯(FEC)。对组装成的电池进行电化学性能测试，循环曲线见图2，由图可见，使用三维集流器的电池性能稳定，全充放电条件下循环400次，仍旧剩余近1000mAh/g的容量，并且具有很高的库仑效率，初始库仑效率大于80% ;而使用传统集流器组装的电池，容量衰减极快，不到50个循环，容量就低于100mAh/g，这说明三维集流器在保持电池的电化学稳定循环中起到了关键作用。
[0028]由图1可见，泡沫金属铜具有三维网状结构，其内部有连结到表面的通道，表面有大量微孔存在；由图4集流器表面扫描电镜照片可见，集流器表面平整，有许多不规则状的、通向集流器内部的微孔存在；由图5集流器截面扫描电镜照片可见，集流器内部含有大量硅电极材料，且均匀分布在三维网孔中。
[0029]实施例2
[0030]用于锂离子电池中硅负极的泡沫镍集流器:
[0031 ] 将粒径为5 μ m的硅颗粒溶解于乙醇中，得到浓度10g/L的溶液，将该溶液滴加到孔径为几百微米的泡沫金属镍中，在烘箱中蒸发掉乙醇得到干燥的、内部含有硅颗粒的泡沫镍；采用滚压的方式将块状泡沫镍压成薄片状；将其置于乙醇溶液中超声清洗洗去表面附着的硅颗粒，在烘箱中烘干，得到可用于锂离子电池中硅负极的泡沫镍集流器。
[0032]在氩气环境的手套箱中使用上述泡沫镍集流器组装电池，硅电极作为工作电极，金属锂作为对电极，电解液含有碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)/氟代碳酸乙烯酯(FEC)。对组装成的电池进行电化学性能测试，循环曲线见图3，由图可见，在1000mAh/g的恒容充放电条件测试中，该电极可以稳定循环200次而没有明显的容量衰减，相比于传统的集流器所构成的电极，循环性能有显著的提高。
【主权项】
1.一种具有三维结构的电池集流器，其特征在于，所述集流器以具有三维网状结构的导体为基体，基体内部有连结到表面的通道，表面有微孔；基体的三维网孔中填充电极材料。
2.根据权利要求1所述的具有三维结构的电池集流器，其特征在于，所述具有三维网状结构的导体为泡沫金属。
3.根据权利要求2所述的具有三维结构的电池集流器，其特征在于，所述泡沫金属为Cu、N1、Ni CrFe、ZnCu、Ni Cu、NiCrff 或 NiFe。
4.权利要求1-3所述具有三维结构的电池集流器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将具有三维网状结构的导体切割成块状； (2)将电极材料溶解后滴加到上述块状导体中，然后蒸发溶剂； (3)将上述块状导体压成薄片状； (4)用超声清洗洗去薄片表面的电极材料，烘干，得到三维结构的电池集流器。
5.根据权利要求4所述的具有三维结构的电池集流器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中溶解电极材料所用的溶剂为乙醇。
6.根据权利要求4所述的具有三维结构的电池集流器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中采用滚压的方式将泡沫金属压成薄片状。
【专利摘要】本发明公开了一种具有三维结构的电池集流器及其制备方法。本发明的电池集流器以具有三维网状结构的导体为基体，基体内部有连结到表面的通道，表面有微孔；基体的三维网孔中填充电极材料。本发明将电极材料配制成溶液滴加到具有三维网状结构的块状导体中，施压将块状导体压成薄片状并将电极材料封装在三维网状结构中，得到上述具有三维结构的电池集流器。本发明使用材料来源广泛，制备工艺简单，成本低廉；将电极材料限制在集流器内部而非表面，可以减少电极材料在充放电过程中的不可逆损失，稳定电极的电化学表现，提高电极的循环使用寿命。
【IPC分类】H01M4-80
【公开号】CN104577136
【申请号】CN201410806499
【发明人】赵春松, 李抒威, 伍晖, 潘伟
【申请人】清华大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月22日