[發(fā)明專利]一種鋰離子電池硅點陣結(jié)構(gòu)電極

在審

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• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107706356A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許駿;袁春浩;高翔;王璐冰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/38;H01M10/0525;H01M4/70
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司11251
• 代理人: 安麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰離子電池硅點陣結(jié)構(gòu)電極。

背景技術(shù)

鋰離子電池在無線電子產(chǎn)品的電源市場占據(jù)主導(dǎo)地位，并在電動汽車等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。通過集流體的導(dǎo)電與活性物質(zhì)和電解質(zhì)的反應(yīng)，電池電極起著導(dǎo)電與形成電流回路的作用。電池電極決定著電池容量的大小，其循環(huán)壽命也直接影響電池的使用時間。

目前商用鋰離子電池容量仍有待提高。傳統(tǒng)商用鋰離子電池所用陽極材料一般為石墨，其理論容量有限為372mAh/g，不能滿足對鋰電池大容量的需求。相比之下，硅的理論容量很高為4200mAh/g，十倍于石墨。硅用作鋰離子電池的陽極材料，能極大提高電池容量，改善目前電池容量不足的狀況。

硅在實現(xiàn)高容量的同時也伴隨著很大的體積變化，體積的大幅度變化會導(dǎo)致電極材料的裂紋擴展、斷裂，使電池容量迅速減少、壽命縮短，從而限制了硅用作鋰離子電池陽極材料的廣泛性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明采用的技術(shù)問題為：針對硅作為鋰離子電池陽極材料時體積膨脹大而產(chǎn)生的問題，提供一種鋰離子電池硅點陣結(jié)構(gòu)電極及制備方法，采用點陣結(jié)構(gòu)，利用點陣孔隙容納體積膨脹，并且采用銅點陣結(jié)構(gòu)作為支撐構(gòu)架和集流體，既保證硅作為陽極材料具有的大容量又增強了電極的機械魯棒性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種鋰離子電池硅點陣結(jié)構(gòu)電極，所述硅點陣結(jié)構(gòu)電極為三維的均勻分布的硅點陣結(jié)構(gòu)，所述三維的均勻分布的硅點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部以銅為支撐構(gòu)架與集流體，在銅的外表面附著一層硅，硅點陣結(jié)構(gòu)以單體為基本組成單元，每個單體包含四根垂直粗立柱和四根斜向細柱，在與垂直粗立柱軸線垂直的截面上，四根垂直粗立柱中心的連線組成一個正方形，且四根立柱分別占據(jù)正方形四個頂點，處于正方形對角的立柱兩端各有一根細柱斜向交叉連接，各根細柱相交于中心的一點，通過改變單體的堆積層數(shù)、各層陣列數(shù)以及點陣結(jié)構(gòu)的尺寸，即通過改變單體在垂直和水平方向上的排列數(shù)目及各個柱的直徑、立柱與斜柱的夾角，來獲得不同尺寸的電極，以滿足不同尺寸與形狀的使用要求。

所述鋰離子電池硅點陣結(jié)構(gòu)電極的材料為銅和硅，在制備過程中還要使用光刻膠。

所述硅點陣結(jié)構(gòu)電極在制備過程中依次采用雙光子光刻、電鍍以及等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法。

所述硅點陣結(jié)構(gòu)電極用于陽極材料為硅的鋰離子電池。

所述硅點陣結(jié)構(gòu)電極孔隙均勻，可容納電極材料硅在嵌鋰時的體積膨脹。

本發(fā)明與傳統(tǒng)石墨電極以及普通硅電極相比的有益效果：

(1)與傳統(tǒng)石墨電極相比，本發(fā)明的硅電極結(jié)構(gòu)為自主設(shè)計，其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有石墨電極不同。此電極具有很高的鋰容量，應(yīng)用于鋰離子電池，能極大提高電池容量，改善電池性能，滿足對電池大容量的需求。

(2)本發(fā)明的硅點陣電極以銅點陣結(jié)構(gòu)為支撐構(gòu)架，能夠增強電極的屈服強度。

(3)本發(fā)明采用雙光子光刻制備方法，可精確控制點陣電極的幾何、特征尺寸、孔隙、表面積，能較為理想地實現(xiàn)設(shè)計者的預(yù)期設(shè)計。

(4)與普通硅電極相比，本發(fā)明硅點陣結(jié)構(gòu)電極內(nèi)部孔隙可容納硅嵌鋰后絕大部分體積膨脹，減少裂紋產(chǎn)生及擴展，提高鋰離子電池容量的同時也可保證電池的使用壽命。

(5)本發(fā)明的硅點陣結(jié)構(gòu)各處孔隙均勻，能夠更好地容納各處較為均勻的體積膨脹，從而使得各處所受載荷一致。

(6)本發(fā)明硅點陣結(jié)構(gòu)電極中采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法，將硅沉積在銅表面，可縮短鋰擴散距離，降低不均勻膨脹，改善機械穩(wěn)定性。

(7)本發(fā)明硅點陣結(jié)構(gòu)電極可通過改變立柱、細柱的直徑，以及立柱與斜細柱間的角度等參數(shù)來調(diào)整電極的結(jié)構(gòu)尺寸。

(8)本發(fā)明所用硅為無定形硅，相比于晶體硅，無定形硅由于其微結(jié)構(gòu)各向同性而具有更好的機械性能，其電學(xué)性能也更為優(yōu)異，能夠改善電極性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中硅點陣結(jié)構(gòu)電極中單體的結(jié)構(gòu)形式；

圖2為所述硅點陣結(jié)構(gòu)中單根垂直粗立柱或斜向細柱的截面示意圖；

圖3為硅點陣結(jié)構(gòu)的單體在與垂直立柱軸線垂直的方向即水平方向上的擴展示意圖；

圖4為硅點陣結(jié)構(gòu)的單體沿著垂直立柱軸線方向即豎直方向上的擴展示意圖；

圖5為硅點陣結(jié)構(gòu)的單體在水平和豎直方向上的擴展示意圖；

圖6為改變結(jié)構(gòu)參數(shù)后硅點陣結(jié)構(gòu)的單體示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實例對本發(fā)明進行詳細說明。