电极及其制备方法和固态电池与流程

本发明涉及电池，特别涉及一种电极及其制备方法和固态电池。

背景技术：

1、传统液态电池作为当前主流的能量储存装置，其内部结构与工作原理已相对成熟。然而，液态电池在能量密度与循环寿命方面存在固有的局限性，这主要归因于液态电解质与锂金属负极的不兼容性。具体而言，液态电解液在化学性质上难以与锂金属稳定共存，导致电池在充放电循环中性能迅速衰退，严重限制了锂金属负极在液态电池中的应用。锂金属作为一种具有高能量密度的负极材料，其理论能量密度高达3860mah/g，远超现有其他负极材料，因此，若能有效利用锂金属负极，将极大提升电池的能量密度与续航能力。

2、为了克服液态电池的这一瓶颈，研发人员开始探索全固态电池技术。全固态电池的核心创新在于采用固态电解质替代了传统的液态电解质和聚合物隔膜。固态电解质因其独特的宽电压窗口特性(宽电压窗口特性指的是固态电解质能够在较大的电压范围内保持稳定而不发生分解或性能显著下降的能力，窗口指的是电解质能够安全、有效地工作的电压范围)，成功解决了液态电解质与锂金属不兼容的问题，使得锂金属负极在全固态电池中的应用成为可能。这一突破为电池能量密度的提升开辟了新的途径，有望推动电池技术实现质的飞跃。

3、然而，在全固态电池技术的商业化应用中，尽管固态电解质为锂金属负极的应用提供了可能，但锂金属在充放电过程中极高的体积膨胀率却成为制约全固态电池性能与寿命的关键因素。锂金属的高能量密度伴随着显著的体积变化，这不仅导致电池整体体积的剧烈波动，还可能引发电解质与锂金属界面结构的恶化，进而严重影响电池的循环稳定性和使用寿命。因此，在高能量密度的固态电池设计中，如何通过电极有效限制锂金属的膨胀，成为亟待解决的核心技术难题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的为提供一种电极及其制备方法和固态电池，旨在解决现有高能量密度的固态电池设计中，如何通过电极有效限制锂金属的膨胀的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提出一种电极，包括集流体和覆盖于集流体的碳纳米管层，所述碳纳米管的底部和顶部分布有催化剂。

3、进一步地，所述集流体为金属材质。

4、进一步地，所述催化剂包含选自银及含银复合物中的一种或多种。

5、进一步地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及改性碳纳米管中的一种或多种。

6、本发明第二方面提出一种电极的制备方法，用于制备上述任一项所述的电极，包括如下步骤：

7、s1：在集流体上涂覆催化剂；

8、s2：将涂覆后的集流体置于流化床中流化；

9、s3：向流化床中通入碳源，进行化学气相沉积法生长碳纳米管，制成所述电极。

10、进一步地，所述碳源为一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、甲烷和丙烯气体中的一种或多种组合。

11、进一步地，所述化学气相沉积法为直流电沉积法或脉冲电沉积法。

12、本发明第三方面提出一种固态电池，包括上述任一项所述的电极作为负极。

13、进一步地，所述固态电池的电解质为固态电解质。

14、进一步地，所述负极还包括负极活性材料，所述负极活性材料为金属锂。

15、有益效果：

16、与现有技术相比，本发明的一种电极，包括集流体和覆盖于集流体的碳纳米管层，所述碳纳米管的底部和顶部分布有催化剂；该技术方案中的电极应用于电池时，由于催化剂在碳纳米管的底部和顶部，可以协同诱导锂金属在碳纳米管电极表面和底部均匀沉积，当锂离子均匀分布在电极表面和内部(碳纳米管内部及之间)时，不会出现局部锂离子浓度过高的情况，在锂离子充电过程中，锂离子需要克服一定的电位差才能沉积在负极上，如果锂离子不均匀沉积，在局部区域锂离子浓度过高，会导致该区域的电位差过大，即局部过电位。局部过电位会促使锂离子在该区域过度沉积，形成金属锂单质析出，也就是析锂现象。而均匀沉积可以避免局部过电位的产生，从而防止析锂；同时，通过设计控制锂的沉积量不超过碳纳米管的管内，管间最大沉积能力，使得整个电极在充放电过程中无膨胀收缩，有效的限制锂金属膨胀。

17、与现有技术相比，本申请的一种电极的制备方法，将催化剂涂覆于集流体上后，在流化床中进行化学气相沉积法生长碳纳米管，在流化过程中，催化剂会随着气体的流动和反应的进行发生一定程度的迁移，使得催化剂在集流体表面(碳纳米管底部)和正在生长的碳纳米管顶部都有分布，在碳纳米管生长过程中，一部分碳纳米管从集流体表面开始生长，催化剂在集流体表面作为反应的起始点，引导碳源气体分解并形成碳纳米管，碳纳米管在集流体表面生长时，一部分向集流体内部生长，以牢固的附着在集流体上，无需额外的添加粘结剂，进一步减少材料的使用，降低成本；同时，还有一部分碳纳米管通过顶部的催化剂生长，从而使得催化剂也会出现在碳纳米管的顶部(电极表面)，以制成电极；该方法免去了传统搅拌、涂布工序，降低了成本并且在制备电极的过程中碳纳米管的长度可以通过调节气相沉积的时间来调节碳纳米管的生长长度，通过催化剂的涂覆密度调节碳纳米管的密度，可以灵活的设计成各种能量密度、厚度的电池。

18、与现有技术相比，本申请的一种固态电池，包括上述的电极。可以理解的是，本申请的固态电池可以具有上述电极的所有技术特征和有益效果，在此不再赘述。

技术特征：

1.一种电极，其特征在于，包括集流体和覆盖于集流体的碳纳米管层，所述碳纳米管的底部和顶部分布有催化剂。

2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述催化剂包含选自银及含银复合物中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及改性碳纳米管中的一种或多种。

4.一种电极的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至3任一项所述的电极，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的电极的制备方法，其特征在于，所述碳源为一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、甲烷和丙烯气体中的一种或多种组合。

6.根据权利要求5所述的电极的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积法为直流电沉积法或脉冲电沉积法。

7.一种固态电池，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的电极作为负极。

8.根据权利要求7所述的固态电池，其特征在于，所述固态电池的电解质为固态电解质。

9.根据权利要求7所述的固态电池，其特征在于，所述负极还包括负极活性材料，所述负极活性材料为金属锂。

技术总结
本发明公开了一种电极及其制备方法和固态电池，其中，电极包括集流体和覆盖于集流体的碳纳米管层，所述碳纳米管的底部和顶部分布有催化剂；该技术方案中的电极应用于电池时，由于催化剂在碳纳米管的底部和顶部，可以协同诱导锂金属在碳纳米管电极表面和底部均匀沉积，当锂离子均匀分布在电极表面和内部(碳纳米管内部及之间)时，不会出现局部锂离子浓度过高的情况，均匀沉积可以避免局部过电位的产生，从而防止析锂；同时，通过设计控制锂的沉积量不超过碳纳米管的管内，管间最大沉积能力，使得整个电极在充放电过程中无膨胀收缩，有效的限制锂金属膨胀。

技术研发人员：董少海,陈相,申英锋,李慧
受保护的技术使用者：孚能科技（赣州）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/16