本發(fā)明屬于無(wú)鋰負(fù)極電池，尤其涉及一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片、無(wú)鋰負(fù)極電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電動(dòng)汽車(chē)和3c類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)電池能量密度、循環(huán)壽命和安全性的要求不斷提高。傳統(tǒng)的鋰離子電池在負(fù)極方面多采用石墨等活性材料，但其能量密度提升已接近極限，難以滿(mǎn)足要求。無(wú)鋰負(fù)極電池作為一種新型電池技術(shù)，其核心在于負(fù)極不直接使用預(yù)先沉積的鋰金屬作為活性材料，而是通過(guò)鋰離子在負(fù)極集流體上的沉積和溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放，從而實(shí)現(xiàn)了更高的能量密度和更好的安全性。

2、但是由于鋰離子沉積溶解過(guò)程的不可控，會(huì)在負(fù)極產(chǎn)生大量的死鋰和鋰枝晶，從而造成熱失控等嚴(yán)重的電池安全問(wèn)題。同時(shí)，電池內(nèi)活性鋰的不可逆損失導(dǎo)致了電池的容量迅速降低，限制了無(wú)鋰負(fù)極電池的實(shí)際使用。

3、目前，改善鋰離子沉積的方式主要包括構(gòu)筑三維集流體、制備富鋰合金涂層等。公開(kāi)號(hào)為cn113991054a的發(fā)明專(zhuān)利《一種用于鋰電池的無(wú)極負(fù)極片、鋰電池》，使用鈷單質(zhì)或鈷的合金促進(jìn)鋰在其表面均勻沉積。但合金方案存在著本身質(zhì)量大的缺點(diǎn)，形成的合金無(wú)法發(fā)揮電池容量，屬于惰性質(zhì)量，會(huì)極大地降低電池的理論比容量，削弱無(wú)鋰負(fù)極電池的能量密度優(yōu)勢(shì)。

4、因此，如何在抑制無(wú)鋰負(fù)極電池形成鋰枝晶和死鋰，提高電池庫(kù)倫效率的同時(shí)，還能提高電池的能量密度仍是本領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有無(wú)鋰負(fù)極電池因鋰離子沉積不均勻?qū)е聨?kù)倫效率較低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片、無(wú)鋰負(fù)極電池及其制備方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，所述無(wú)鋰負(fù)極極片包括單原子鈷催化劑、金屬集流體和粘結(jié)劑，所述單原子鈷催化劑為碳基體負(fù)載的單原子鈷。

4、進(jìn)一步的，所述單原子鈷催化劑的制備方法為：2-甲基咪唑溶于甲醇得到溶液a，六水硝酸鋅和六水硝酸鈷溶于甲醇溶液得到溶液b，將所述溶液b加入所述溶液a，充分混合得到溶液c，所述溶液c在攪拌狀態(tài)下反應(yīng)得到懸濁液，將所述懸濁液離心得到晶體，所得晶體洗滌、干燥得到干燥粉末，所述干燥粉末在ar環(huán)境中加熱處理，得到單原子鈷催化劑。

5、進(jìn)一步的，所述2-甲基咪唑、六水硝酸鋅和六水硝酸鈷的摩爾比為20～40:5～8:0.5～1.0。

6、進(jìn)一步的，所述溶液c在攪拌狀態(tài)下的反應(yīng)時(shí)間為6～18h；所述懸濁液離心的轉(zhuǎn)速為10000rpm；離心時(shí)間為15～30min；所述晶體干燥的溫度為50～90℃，干燥時(shí)間為2～6h；所述干燥粉末在ar環(huán)境中加熱處理的升溫速度為5℃/min，加熱溫度為900℃，加熱時(shí)間為0.5～2.0h。

7、進(jìn)一步的，所述金屬集流體為銅、鎳、鈦或不銹鋼材質(zhì)的箔片或網(wǎng)；所述粘結(jié)劑為羧甲基纖維素和丁苯膠乳中的的組合。

8、一種本發(fā)明提供的含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片的制備方法，步驟如下：

9、步驟一、向第一粘結(jié)劑中加入去離子水，攪拌均勻得到漿料ⅰ；

10、步驟二、向步驟一所得漿料ⅰ中加入本發(fā)明提供的單原子鈷催化劑粉末，攪拌均勻得到漿料ⅱ；

11、步驟三、向步驟二所得漿料ⅱ中加入第二粘結(jié)劑，攪拌均勻得到漿料ⅲ；

12、步驟四、將步驟三所得漿料ⅲ涂布在金屬集流體表面，真空烘干、輥壓處理后得到含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片。

13、進(jìn)一步的，所述步驟一中所述第一粘結(jié)劑為羧甲基纖維素，步驟三中所述第二粘結(jié)劑為丁苯膠乳，所述漿料iii中第一粘結(jié)劑、第二粘結(jié)劑、單原子鈷催化劑粉末的質(zhì)量比為1～2:1～2:16。

14、進(jìn)一步的，步驟一、步驟二、步驟三中所述攪拌的攪拌速度均為600～1000rpm，攪拌時(shí)間均為1～4h，攪拌溫度均為20～30℃，攪拌的真空度條件均為-0.01～-0.1mpa。

15、進(jìn)一步的，步驟四所述涂布的厚度為10～30μm，所述真空烘干的溫度為60～100℃，烘干時(shí)間為24～48h，真空度為0.01～0.2mpa；所述輥壓處理的壓力為20±5t。

16、一種無(wú)鋰負(fù)極電池，含有本發(fā)明提供的含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片。

17、本發(fā)明的有益效果：

18、本發(fā)明提供的含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，以單原子鈷催化劑作為活性層，利用鈷單原子中n原子2p電子和材料功函數(shù)的特性，通過(guò)調(diào)控鋰離子沉積過(guò)程中兩個(gè)關(guān)鍵步驟的反應(yīng)速度，降低成核過(guò)電位和生長(zhǎng)過(guò)電位，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子的均勻沉積，避免局部濃度過(guò)高，減少鋰枝晶的生成；同時(shí)均勻的鋰沉積使負(fù)極能夠更有效地利用空間，減少死鋰的產(chǎn)生，進(jìn)而減少活性鋰的損失，有效降低了電池容量的不可逆衰減。

19、由于本發(fā)明制備的含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片能夠減少鋰枝晶和死鋰的產(chǎn)生，因此將其用于制備無(wú)鋰負(fù)極電池能夠顯著提升電池的庫(kù)倫效率、循環(huán)使用壽命、安全性以及電池的能量密度。本發(fā)明含單原子鈷催化劑及無(wú)鋰負(fù)極極片制備工藝簡(jiǎn)單，適用于鋰金屬二次電池的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，其特征在于，所述無(wú)鋰負(fù)極極片包括單原子鈷催化劑、金屬集流體和粘結(jié)劑，所述單原子鈷催化劑為碳基體負(fù)載的單原子鈷。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，其特征在于，所述單原子鈷催化劑的制備方法為：2-甲基咪唑溶于甲醇得到溶液a，六水硝酸鋅和六水硝酸鈷溶于甲醇溶液得到溶液b，將所述溶液b加入所述溶液a，充分混合得到溶液c，所述溶液c在攪拌狀態(tài)下反應(yīng)得到懸濁液，將所述懸濁液離心得到晶體，所得晶體洗滌、干燥得到干燥粉末，所述干燥粉末在ar環(huán)境中加熱處理，得到單原子鈷催化劑。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，其特征在于，所述2-甲基咪唑、六水硝酸鋅和六水硝酸鈷的摩爾比為20～40:5～8:0.5～1.0。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，其特征在于，所述溶液c在攪拌狀態(tài)下的反應(yīng)時(shí)間為6～18h；所述懸濁液離心的轉(zhuǎn)速為10000rpm；離心時(shí)間為15～30min；所述晶體干燥的溫度為50～90℃，干燥時(shí)間為2～6h；所述干燥粉末在ar環(huán)境中加熱處理的升溫速度為5℃/min，加熱溫度為900℃，加熱時(shí)間為0.5～2.0h。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，其特征在于，所述金屬集流體為銅、鎳、鈦或不銹鋼材質(zhì)的箔片或網(wǎng)；所述粘結(jié)劑為羧甲基纖維素和丁苯膠乳中的的組合。

6.一種如權(quán)利要求1-5任一所述含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片的制備方法，其特征在于，步驟如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片的制備方法，其特征在于，所述步驟一中所述第一粘結(jié)劑為羧甲基纖維素，步驟三中所述第二粘結(jié)劑為丁苯膠乳，所述漿料iii中第一粘結(jié)劑、第二粘結(jié)劑、單原子鈷催化劑粉末的質(zhì)量比為1～2:1～2:16。

8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片的制備方法，其特征在于，步驟一、步驟二、步驟三中所述攪拌的攪拌速度均為600～1000rpm，攪拌時(shí)間均為1～4h，攪拌溫度均為20～30℃，攪拌的真空度條件均為-0.01～-0.1mpa。

9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片的制備方法，其特征在于，步驟四所述涂布的厚度為20μm，所述真空烘干的溫度為60～100℃，烘干時(shí)間為24～48h，真空度為0.01～0.2mpa；所述輥壓處理的壓力為30t。

10.一種無(wú)鋰負(fù)極電池，其特征在于，含有權(quán)利要求1-5任一所述含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片、無(wú)鋰負(fù)極電池及其制備方法，屬于無(wú)鋰負(fù)極電池技術(shù)領(lǐng)域。為解決現(xiàn)有無(wú)鋰負(fù)極電池因鋰離子沉積不均勻?qū)е聨?kù)倫效率較低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種含單原子鈷催化劑的無(wú)鋰負(fù)極極片，包括單原子鈷催化劑、金屬集流體和粘結(jié)劑，其中單原子鈷催化劑為碳基體負(fù)載的單原子鈷。本發(fā)明以單原子鈷催化劑作為活性層，實(shí)現(xiàn)了鋰離子的均勻沉積，減少鋰枝晶和死鋰的生成，有效降低了電池容量的不可逆衰減。將其用于制備無(wú)鋰負(fù)極電池能夠顯著提升電池的庫(kù)倫效率、循環(huán)使用壽命、安全性以及電池的能量密度。本發(fā)明含單原子鈷催化劑及無(wú)鋰負(fù)極極片制備工藝簡(jiǎn)單，適用于鋰金屬二次電池的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：尹鴿平,朱家明,康聰,肖相俊,張巖,馬玉林,孔凡鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21