[發明專利]一種襯底上生長有鈷納米線陣列的鋰離子電池負極及其制備方法有效

申請號：	201410406333.4	申請日：	2014-08-18
公開（公告）號：	CN104201332B	公開（公告）日：	2017-01-18
發明（設計）人：	杜寧;趙文甲;楊德仁	申請（專利權）人：	浙江大學
主分類號：	H01M4/134	分類號：	H01M4/134;H01M4/04;H01M4/1395;H01M10/0525
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種襯底生長納米陣列鋰離子電池負極及其制備方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池負極，尤其涉及一種襯底上生長有鈷納米線陣列的鋰離子電池負極及其制備方法。

背景技術

目前商業化鋰離子電池都是以碳基材料作為負極的，但由于石墨負極的可逆容量只有372mAh/g(LiC₆)，嚴重限制了未來鋰離子電池的發展，所以研發下一代鋰離子電池負極材料成為新的熱點。人們發現在Li₂₂Si₅中硅的恒流理論容量達到了4200mAh/g，是極具開發潛力的鋰離子負極材料，被認為是最有可能替代現有商業化的石墨類碳材料的材料之一。但這種材料的缺點也很突出：在嵌鋰和脫鋰過程中材料體積會發生膨脹，微觀結構發生改變而導致在嵌鋰脫嵌過程中電極的斷裂和損耗，嚴重影響材料的循環和大電流倍率性能，從而限制了其作為鋰離子電池負極材料的發展和應用。

CN?101740747?B公開了一種硅負極，包括集流體和負載在該集流體上的硅負極材料，硅負極材料包括硅負極活性物質和粘合劑；其中，粘合劑包括第一聚合物、第二聚合物和第三聚合物，第一聚合物為含氟聚合物；第二聚合物為含有丙烯腈單元、甲基丙烯腈單元、丙烯酸酯單元和甲基丙烯酸酯單元中的至少一種的聚合物；第三聚合物選自聚乙烯吡咯烷酮、聚(亞烷基)二醇、丙烯酰胺、聚乙二醇中的一種或幾種。該專利公開的硅負極因包含粘結劑，可以讓活性材料與集流體很好粘結在一起，防止活性材料脫落，可以提高電池容量和倍率性能，另外形成了一定的孔隙，可以吸收材料部分膨脹，提高電池循環性能。

為提高硅材料的電化學性能，現有鋰離子電池負極先在集流體上附著三維陣列化結構，然后再將硅沉積在三維陣列化結構上。該結構可以增加硅材料與集流體的接觸，提高電極的導電性，另外陣列化結構為硅材料的體積變化提供了緩沖空間。

CN?103413920?A一種鋰離子電池用硅/取向碳納米管復合負極材料及其制備方法，該復合材料由取向碳納米管膜、均勻分布在取向碳納米管膜上的納米硅及納米硅表面的垂直取向碳納米管陣列組成。底部的取向碳納米管膜提供一個具有高的強度和良好柔性的基體，保證在電池循環過程中電極材料的整體完整性；頂部的取向碳納米管陣列使得硅膨脹發生限定在一定范圍，防止硅材料在循環過程中的脫落，同時由于多孔的特性使得電解質能夠進入，加速鋰離子的傳輸。該專利雖然可以一定程度提高材料的電化學性能，但制備方法復雜，成本高，不易于推廣。

發明內容

本發明提供了一種制備方法簡單，成本低廉的襯底上生長有鈷納米線陣列的鋰離子電池負極。

一種鋰離子電池負極，包括襯底、生長在襯底上的鈷納米陣列以及沉積在鈷納米陣列上的電極材料。

一種鋰離子電池負極，由襯底、生長在襯底上的鈷納米線陣列以及沉積在鈷納米線陣列上的電極材料組成。

襯底為集流體，可以鎳箔、銅箔、鐵箔、鋁箔、鈷箔或鈦箔。

生長有納米線陣列的集流體相對于平板集流體具有更大的比表面積，可以提供更多的鋰離子嵌入位點，提高材料的電化學性能，優選的，所述鈷納米線陣列的尺寸為長度100～1000nm，直徑10～500nm，尖端逐漸變細，呈針尖狀。

在襯底表面生長納米線陣列，可以讓活性材料與集流體更好的結合，同時給活性材料提供充放電過程中體積變化的緩沖空間。

另外，由于濺射等沉積方法具有陰影效應，導致納米支撐結構上活性物質分布不均，上端通常比下端沉積更多的活性物質，這降低了電極能夠有效承載的活性物質的量，同時也不利于電極的電化學性能。本發明中制備的納米線陣列，具有尖端變細的結構，作為支持結構更具有優勢，更有利于獲得優異的電化學性能。

所述電極材料可以是石墨、硅等任一種負極材料，優選為硅。

本發明還提供了所述鋰離子電池負極的制備方法，包括以下步驟：

(1)以鈷鹽和尿素為原料，通過水熱反應結合熱處理在襯底上合成氧化亞鈷納米線陣列；

(2)將所述氧化亞鈷納米線陣列還原為鈷納米線陣列；