本技术介绍了一种创新的复合材料集流体及其制造工艺,以及其在锂金属电池中的应用。该复合材料集流体由集流体材料和可选的固态电解质材料组成,具有双层结构,其中一层包含指状孔隙。
背景技术
锂离子电池作为目前应用最广泛的化学能源装置,受其理论能量密度限制,已经无法满足社会发展对化学能源装置的需求。而锂金属电池因其较高的理论能量密度达到了锂离子电池的十倍多,有潜力代替锂离子电池成为下一代主要的化学能源装置,因此在全世界范围受到广泛的关注和研究。
锂金属电池的结构组成,包括正极、负极和电解质。其与锂离子电池的主要区别在于:负极的活性物质使用的是锂金属。锂金属电池根据电解质的不同可以分为水基电解液锂金属电池、有机电解液锂金属电池和固态电解质锂金属电池。
尽管有机电解液锂金属电池已经取得了一些应用成果,但是有机电解液对金属锂的不稳定性极大限制了这种电解质体系的发展,尤其是在使用的金属锂的比表面积越大的情况下,有机电解液与金属锂的副反应就越剧烈。同时,电解液的蒸发和泄漏也给电池的安全性带来了负面影响。然而,使用固态电解质体系的电池能很好地解决上述问题。
锂金属电池中固态电解质的性能指标包括锂离子传导率、与锂金属接触时的物理稳定性、化学和电化学稳定性。已经在锂金属电池中取得应用的固态电解质包括聚合物电解质和无机固态电解质,其中,无机固态电解质中的LLZTO在室温下具有较高的锂离子电导率,同时与锂金属接触时表现出非常高的稳定性。但是,LLZTO与集流体之间的固-固接触不良,导致电池的界面阻抗升高。同时,由于电化学反应发生在电解质-集流体-活性物质的三相界面,固态电解质LLZTO与集流体的接触点位不足,限制了电池的放电容量和倍率性能。
CN117747928A公开了一种固态电解质浆料、复合集流体及二次电池,其中,固态电解质浆料中同时存在导电剂、补锂剂、固态电解质和水系粘结剂,并使用对羟基苯乙酰胺作为分散剂,对各组分均具有优异的分散作用。通过将上述固态电解质浆料和水涂布于集流体表面,得到复合集流体,集流体内阻极差波动较小,但是该集流体和固态电解质的接触点位仍然有限,限制了电池的电化学性能。
因此,如何设计一种更佳的锂金属电池的电极,解决电解质和集流体的界面问题,增加反应活性点位,同时提高锂金属电池的电化学性能,已成为目前该领域的研究关注重点之一。
实现思路