[發明專利]陣列化鎳硅納米線及鎳硅-硅核殼納米線的制備方法

有效

• 申請號: 201110167445.5
• 申請日: 2011-06-21
• 公開（公告）號: CN102263243A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 杜寧;樊星;吳平;楊德仁
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于材料科學領域，具體涉及用于鋰離子電池負極的陣列化鎳硅納米線及鎳硅-硅核殼納米線的制備方法。

背景技術

由于具有比較高的理論容量，硅被認為是理想的鋰離子電池負極石墨類碳材料的替代物，從而滿足高能量密度鋰離子電池的需求。然而由于在充放電過程中巨大的體積變化，會導致硅電極材料的粉化，其容量會急劇下降；另外，硅電極材料在大的充放電電流下性能不穩定，這些都限制了其作為鋰離子電池負極材料的商業化應用。

目前越來越多的工作致力于改善硅作為鋰離子電池負極材料的性能，其中陣列化的電極結構具有獨特的優勢。第一，與基體的電接觸好，大大提高了電極材料的導電性，第二，陣列化結構之間的間隙能有效的緩解硅電極材料在循環過程中巨大的體積膨脹，從而大幅度改善其循環性能。到目前為止，陣列化的硅納米管、陣列化的硅納米線、陣列化的碳納米管-硅異質結構和陣列化的鎳-硅核殼結構都被用于鋰離子電池的負極中并獲得了性能上的提高。然而，這些方法還面臨一些問題，例如不能實現大的基體上高密度的陣列化結構的生長、反應過程繁瑣、反應條件較為苛刻以及電極的導電性較差等。因此，還需要對電極結構進行細致的設計從而進一步改善硅負極材料的鋰電性能。

發明內容

本發明提供了一種用于鋰離子電池負極的陣列化鎳硅納米線及鎳硅-硅核殼納米線的制備方法，通過簡易的方法在大片金屬襯底上實現陣列化鎳硅納米線的高密度生長，其中鎳硅的相可控，隨后通過簡易的方法實現高質量陣列化鎳硅-硅核殼納米線的制備，其中鎳硅與硅的比例可控。

一種陣列化鎳硅納米線的制備方法，包括以下步驟：

(1)將用于鋰離子電池負極基體的金屬襯底用鹽酸和乙醇分別清洗，隨后干燥備用；所述的干燥為真空干燥或者氮氣吹干；所述的鹽酸和乙醇采用通用的市售稀鹽酸和酒精產品即可，通常將質量分數低于37％的鹽酸稱為稀鹽酸；

(2)通過熱絲化學氣相沉積裝置在經步驟(1)清洗過的金屬襯底表面生長陣列化鎳硅納米線，設置硅烷流量為10～1000sccm，氫氣流量為10～1000sccm，腔體氣壓為10～1000Pa，溫度為200～1000℃，反應時間為1～300min，得到陣列化鎳硅納米線。

所述金屬襯底和生長在金屬襯底上的陣列化納米線材料構成鋰離子電池負極。

所述金屬襯底為泡沫鎳、鎳箔、表面鍍鎳的泡沫銅、表面鍍鎳的銅箔或表面鍍鎳的鈦箔。

上述方法中，通過工藝參數控制，可以得到不同結晶相(Ni₃Si₂、NiSi、Ni₂Si、NiSi₂或Ni₃₁Si₁₂)的鎳硅納米線，因此，所述陣列化鎳硅納米線為Ni₃Si₂納米線、NiSi納米線、Ni₂Si納米線、NiSi₂納米線或Ni₃₁Si₁₂納米線。

一種鎳硅-硅核殼納米線的制備方法，包括以下步驟：

(1)將用于鋰離子電池負極基體的金屬襯底用鹽酸和乙醇分別清洗，隨后干燥備用；所述的干燥為真空干燥或者氮氣吹干；所述的鹽酸和乙醇采用通用的市售稀鹽酸和酒精產品即可，通常將質量分數低于37％的鹽酸稱為稀鹽酸；

(2)通過熱絲化學氣相沉積裝置在經步驟(1)清洗過的金屬襯底表面生長陣列化鎳硅納米線，設置硅烷流量為10～1000sccm，氫氣流量為10～1000sccm，腔體氣壓為10～1000Pa，溫度為200～1000℃，反應時間為1～300min，得到陣列化鎳硅納米線；

(3)通過射頻濺射的方法在步驟(2)得到的陣列化鎳硅納米線的表面沉積一層厚度可控的硅，設置硅襯底溫度為20～500℃，氬氣流量為10～1000sccm，腔體氣壓為1～100Pa，濺射功率為10～1000W，濺射時間為1～300min，得到陣列化鎳硅-硅核殼納米線。

所述金屬襯底和生長在金屬襯底上的陣列化納米線材料構成鋰離子電池負極。

所述金屬襯底為泡沫鎳、鎳箔、表面鍍鎳的泡沫銅、表面鍍鎳的銅箔或表面鍍鎳的鈦箔。