[發(fā)明專利]一步法火焰浸泡熱處理改性硅電極

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410705245.4
• 申請日: 2014-11-27
• 公開（公告）號: CN104409687A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設計）人: 侯豪情;王琦;趙丹
• 申請（專利權）人: 江西先材納米纖維科技有限公司
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395
• 代理公司: 北京中原華和知識產(chǎn)權代理有限責任公司 11019
• 代理人: 壽寧;張華輝

技術領域

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術領域，具體涉及一種對鋰離子電池硅負極的制備方法和改性方法。

背景技術

隨著人口的增加、環(huán)保意識的增強、電子產(chǎn)品向小型化的發(fā)展，人們對資源的高效利用、有效提高電容量、減少對鉛、鎘等有毒金屬的使用成為對新一代電池的追求。鋰離子電池由于體積小、質量輕、壽命長、容量大、綠色環(huán)保、工作溫度范圍廣泛等眾多優(yōu)點使之成為新一代電源的有力候選者。

為了使鋰離子電池能運用到更廣泛的領域，滿足下一代無線通訊設備、混合電動車的要求，我們需要顯著提高鋰離子電池的能量密度、功率密度。比較不同陽極材料的性能，硅負極既具有比傳統(tǒng)碳負極高出十倍的比容量(質量比容量為：4200mA·h/g；體積比容量為：9786mA·h/cm³),又具備一個相對較低的放電位(平均脫鋰電位在0.4V左右)。硅儲量豐富(在地殼中的含量僅次于氧)，對環(huán)境友好，化學性質比較穩(wěn)定，已廣泛用于半導體工業(yè)中。

在常溫下，Si和Li⁺的合金化產(chǎn)物隨著電位的變化有所不同，由晶態(tài)到非晶態(tài)的變化過程分為多個步驟，最后充電完成后都變成了非晶態(tài)。此過程還伴隨著較大的體積膨脹，易引起基體結構的破碎(體積膨脹>400％)。隨著充放電的進行，硅負極反復膨脹/收縮，以至于電極結構發(fā)生坍塌，易引起電池容量隨循環(huán)的進行而衰減。

為解決上述問題，研究者們進行了多項研究。包括：(1)納米化；(2)殼核結構和空間結構設計；(3)合金化；(4)非金屬摻雜；(5)非晶硅材料的利用；(6)特殊粘結劑的使用。

KIM?H通過溶劑熱反應制備了5nm、10nm、20nm的納米硅Si顆粒材料，結果表明10nm的Si顆粒用作鋰離子電池負極材料首次庫倫效率和循環(huán)性能最佳，并指出小于10nm的Si顆粒在制備過程中可能同時存在晶態(tài)和非晶態(tài)兩相，充放電后顆粒尺寸基本不發(fā)生變化。首次庫倫效率達80％，循環(huán)40次后仍保留有81％的容量(KIM?H,SEO?M,PARK?M?H,et?al.A?Critical?Size?of?Silicon?Nano‐Anodes?for?Lithium?Rechargeable?Batteries[J].Angewandte?Chemie?International?Edition,2010,49(12):2146-9)。B?Wang通過結合氣相沉積法和制備氧化石墨烯的方法，制備了三明治結構硅電極。石墨片包裹硅納米線(SiNW@G)起協(xié)同作用，防止電解液直接與活性物質接觸，在充放電過程中，保證硅納米線的完整性。氧化石墨烯(RGO)包裹SiNW@G形成三明治結構，能增加整個電極的機械強度，維持結構和電化學性能的完整性。在0.002～2V間，以2.1A/g充放電，可逆容量達到1600mAh/g循環(huán)100次后，容量保留有仍80％。如此優(yōu)良的電化學性能，源于封閉的結構能有效阻止Si暴露，減緩SEI膜的生長，使活性物質能更好的適應體積的變化，促進循環(huán)穩(wěn)定進行(WANG?B,LI?X,ZHANG?X,et?al.Adaptable?silicon–carbon?nanocables?sandwiched?between?reduced?graphene?oxide?sheets?as?lithium?ion?battery?anodes[J].ACS?nano,2013,7(2):1437-45)。在這些研究中，處理硅作為鋰離子電池負極，均得到了良好的改進。在現(xiàn)有研究中，這幾種方法相輔相成，僅通過一種方法改性難以達到良好的改性效果。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一步法火焰浸泡熱處理改性硅電極，改善硅電極在循環(huán)過程中存在的問題，所要解決的技術問題是提高硅電極的比容量和循環(huán)性，同時使所述改性的方法操作簡便、經(jīng)濟易生產(chǎn)擴大化。