[發明專利]一種鋰離子電池納米級硅負極的制備方法

有效

• 申請號: 201710067256.8
• 申請日: 2017-02-06
• 公開（公告）號: CN107046124B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 劉安華;吳鵬飛;蘇智明;胡志明;劉星煜;郭長青
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525;H01M4/60
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

一種鋰離子電池納米級硅負極的制備方法，涉及鋰離子電池。所述鋰離子電池納米級硅負極為一種硅@空洞@碳結構硅負極，通過表面修飾，在硅球表面接枝引發劑，得接枝引發劑的硅球；將得到的接枝引發劑的硅球通過活性自由基聚合接枝可完全熱分解的聚合物作為媒介層；在所得樣品表層包覆碳包覆層作為碳層的先驅體；將所得的樣品經空氣氛中氧化交聯和惰性氣氛下熱解，媒介層完全分解得到硅膨脹的空洞空間，碳層先驅體熱解炭化得到殼層碳，得鋰離子電池納米級硅負極。與可控性較強的活性自由基聚合方法有效地結合起來。可調控運用不同的碳源。操作可控性強，可有效調節硅球膨脹的空間，以及碳層厚度。操作過程易行，危險小，易放大。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池，尤其是涉及一種鋰離子電池納米級硅負極的制備方法。

背景技術

隨著科技和經濟的發展，高性能電子設備，電動汽車等層出不窮，而市場上通常用的石墨負極鋰離子電池(理論容量370mA·h/g)并不能滿足高容量，低循環損耗的要求。因此要設計出性能更為優越的電極活性材料，比如：Si,Ge,SnO₂,SiOC等。在不斷的研究中發現Si的理論容量非常高，大約是石墨的10倍(在與Li形成合金Li₁₅Si₄時容量為3579mA·h/g)，且有較低的鋰化/去鋰化電勢，因此引起了界內廣泛關注。但是Si在鋰化過程中會產生極大的體積膨脹，大約為300％，因此在不斷的鋰化/去鋰化的過程中，Si的體積會不斷地膨脹/縮小，在縮小過程中作為活性材料的Si就會斷裂，粉碎，而首次循環時在硅表面形成的固體電解液膜(SEI)就會不斷地產生，導致電極的循環性能急劇下降，庫倫效率(CE)也不會太高。因此，要想把硅運用到電池，就必須解決這些問題。

把硅設計為納米級材料是一個很好地出路，比如硅納米管、硅納米棒、硅納米顆粒等，都能使硅電極的循環性能得到很好地提升(Yi Cui.Nanomaterials forelectrochemical energy storage[J].Frontiersof Physics,2014,9:323-350)。但是由于硅暴漏在電解液中會形成不可逆的容量損失，性能并不會提高太多，因此需要在外邊包一層負極材料，其能夠形成比較薄并且比較穩定的SEI膜，例如C、石墨烯、金屬等。為了給予硅以足夠的空間讓其膨脹，一般設計為核@空洞@殼、多孔、松散骨架結構(如海綿)、良好彈性的聚合物等。崔屹等(Yi Cui.Silicon-Carbon Nanotube Coaxial Sponge as Li-IonAnodes with High Areal Capacity[J].Advanced Energy Materials,2014,9(3):323-350)由CVD法制作碳納米管海綿，并在上邊沉積無定型硅制得的陽極在第一次充/放電的容量達到3200和2750mA·h/g，庫倫效率為86％，比面積容量高達40mA·h/cm²，并在50圈內沒有大量容量損耗。