一种钠金属电池负极集流体及其制备方法和应用

本申请涉及钠金属电池负极材料，具体涉及一种钠金属电池负极集流体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钠金属电池作为一种高能量密度的储能设备，正在得到广泛的关注和研究。在钠金属电池的负极中，集流体起着关键作用，它不仅提供电子传导路径，还直接影响电池的性能和稳定性。目前，钠金属电池最常用的集流体材料是金属箔或金属泡沫，如铜箔/铝箔及泡沫铜、泡沫铝。铜箔的导电性能良好，能够有效地促进钠的沉积和析出过程，并具有较高的导电性和机械强度，适合用于钠金属电池的负极；而泡沫铜相较于铜箔集流体，可提供额外的空间以容纳钠金属的沉积。

2、尽管现有的负极集流体材料具有优良的导电性和机械强度，但在实际应用中存在一些缺点。主要的缺点包括：

3、1.电荷分布不均：虽然铜箔和铝箔都是优良的导电材料，但是工业生产的铜箔或铝箔表面的平整度不足，不可避免的产生不均匀的电荷分布，容易引导钠金属的非均匀沉积，导致钠枝晶的生长和堆积，可能会引发电池内部短路或安全隐患。

4、2.无法容纳体积变化：二维金属箔集流体无法容纳电池充放电过程中的钠金属负极体积变化，使得钠金属负极的形貌遭到破坏，导致电池内部压力变化大。

5、3.亲钠性差：由于铜箔和铝箔对钠的亲和性差，钠金属的初始成核不均容易诱发后续过程中的不均匀沉积，并且容易使松散连接的钠金属从集流体剥落生成“死钠”。

6、4.不均匀的钠沉积和剥离：虽然三维泡沫金属集流体可以提供额外的空间容纳钠金属负极一定的体积变化，但是由于金属泡沫骨架只导电子不导离子，导致钠金属在沉积过程中优先在金属骨架上表面沉积，或者优先在钠金属负极底部靠近集流体处剥离，形成空洞和不紧密的沉积，不利于电池长期循环。

7、以上缺点导致现有的钠金属电池的安全性差、比容量小、长期循环性差。亟需开发一种新的负极集流体，来解决上述问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种钠金属电池负极集流体及其制备方法和应用，旨在解决现有的钠金属电池负极集流体因电荷分布不均、无法容纳体积变化、亲钠性差和钠沉积和剥离不均匀而导致的钠金属电池安全性差、比容量小、长期循环性差的问题。

2、为了达到上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现。

3、本申请的第一方面，提供一种钠金属电池负极集流体，包括铜箔以及自组装生成在所述铜箔表面的三维硫化亚铜纳米线阵列；所述硫化亚铜纳米线具有分层结构。

4、本申请的第二方面，提供上述钠金属电池负极集流体的制备方法，包括：将铜箔浸泡于第一反应液中，在铜箔上自组装生成氢氧化铜纳米线阵列；再将其干燥后浸泡于第二反应液中，在铜箔上形成硫化亚铜纳米线阵列，干燥后得到负极集流体。

5、在一些实施方案中，所述第一反应液为氢氧化钠和过硫酸铵的水溶液。

6、在一些实施方案中，所述第一反应液中，氢氧化钠的浓度为0.075～0.125g/ml；过硫酸铵的浓度为15～30mg/ml。

7、在一些实施方案中，所述第二反应液为硫化钠或九水硫化钠的乙醇溶液。

8、在一些实施方案中，所述九水硫化钠的乙醇溶液的浓度为5～13mg/ml；或所述硫化钠的乙醇溶液浓度为1.67～4.33mg/ml。

9、在一些实施方案中，所述铜箔在使用前进行预处理，包括：

10、用稀盐酸浸泡铜箔，然后分别用去离子水和有机溶剂清洗铜箔；

11、所述有机溶剂为乙醇或丙酮。

12、在一些实施方案中，所述干燥为真空干燥，干燥温度为60～80℃。

13、在一些实施方案中，所述铜箔与第一反应液的反应时间为10～60min；所述自组装生成氢氧化铜纳米线阵列的铜箔与第二反应液的反应时间为30～60min。

14、本申请的第三方面，提供上述钠金属电池负极集流体在钠金属电池中的应用。

15、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

16、本申请的钠金属电池负极集流体包括铜箔和在铜箔上自组装形成的具有分层结构的“离子-电子”混合导体纳米线阵列，即三维硫化亚铜纳米线阵列。其中的离子导电na2s连续相和电子导电cu提供了互连和快速的钠离子和电子传输通道，有利于钠金属的均匀沉积和剥离，并改善了界面动力学；另一方面，纳米线阵列的高度亲钠表面保证了钠的初次成核以密实且均匀的方式进行，同时它们之间的强结合防止了“自下而上”的钠剥离和“死钠”形成。此外，分层结构的纳米线具有大表面积的明显降低和均匀化了其表面局部电流密度，并提供了丰富的成核位点；纳米线阵列的坚固结构维持了界面完整性，并承载了钠金属负极的体积变化。

17、应用了本申请的钠金属电池负极集流体的钠金属电池，其安全性高、比容量高、长期循环性好。

技术特征：

1.一种钠金属电池负极集流体，其特征在于，包括铜箔以及通过自组装生成在所述铜箔表面的三维硫化亚铜纳米线阵列；所述硫化亚铜纳米线具有分层结构。

2.权利要求1所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，所述第一反应液为氢氧化钠和过硫酸铵的水溶液。

4.根据权利要求2所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，所述第一反应液中，氢氧化钠的浓度为0.075～0.125g/ml；过硫酸铵的浓度为15～30mg/ml。

5.根据权利要求2所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，所述第二反应液为硫化钠或九水硫化钠的乙醇溶液。

6.根据权利要求2所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，所述九水硫化钠的乙醇溶液的浓度为5～13mg/ml；或所述硫化钠的乙醇溶液浓度为1.67～4.33mg/ml。

7.根据权利要求2所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，所述铜箔在使用前进行预处理，包括：

8.根据权利要求2所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，所述干燥为真空干燥，干燥温度为60～80℃。

9.根据权利要求2所述的钠金属电池负极集流体的制备方法，其特征在于，所述铜箔与第一反应液的反应时间为10～60min；所述自组装生成氢氧化铜纳米线阵列的铜箔与第二反应液的反应时间为30～60min。

10.权利要求1所述的钠金属电池负极集流体或权利要求2-9任一项所述的制备方法制备的钠金属电池负极集流体在钠金属电池中的应用。

技术总结本申请涉及钠金属电池负极材料技术领域，具体涉及一种钠金属电池负极集流体及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将铜箔浸泡于第一反应液中，在铜箔上自组装生成氢氧化铜纳米线阵列；将其干燥后浸泡于第二反应液中，在铜箔上形成硫化亚铜纳米线阵列，干燥后得到负极集流体。本申请在铜箔上自组装具有分层结构的“离子‑电子”混合导体纳米线阵列，提供了互连和快速的钠离子和电子传输通道，有利于钠金属的均匀沉积和剥离；纳米线阵列的高度亲钠表面保证了钠的初次成核以密实且均匀的方式进行；此外，分层结构的纳米线具有大表面积的明显降低和均匀化了其表面局部电流密度，并提供了丰富的成核位点；纳米线阵列的坚固结构维持了界面完整性，并承载了钠金属负极的体积变化。应用了本申请的钠金属电池负极集流体的钠金属电池，其安全性高、比容量高、长期循环性好。技术研发人员：吴超,黄嘉文受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29