[發(fā)明專(zhuān)利]基于選區(qū)熔化技術(shù)的鋰離子電池硅電極制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711252278.8
• 申請(qǐng)日: 2017-12-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108023065B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃婷;曹利;肖榮詩(shī)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/1395
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/1395;H01M4/134;H01M4/04;H01M10/0525
• 代理公司: 北京睿派知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11597
• 代理人: 劉鋒

本發(fā)明提供了一種基于選區(qū)熔化技術(shù)的鋰離子電池硅電極制造方法。該電極的活性物質(zhì)硅與銅集流體冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；硅電極表面存在大量孔洞，為硅的體積膨脹預(yù)留空間，同時(shí)增大了鋰離子與活性物質(zhì)的接觸面積，提高鋰離子電池的比容量和循環(huán)性能。該電極的制造方法是：將鋁硅粉末均勻預(yù)置在銅集流體上，使用選區(qū)激光熔化技術(shù)熔覆鋁硅粉末制備電極前驅(qū)體，然后使用脫合金技術(shù)脫去前驅(qū)體合金中的元素鋁，獲得與集流體冶金結(jié)合的多孔硅結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電極材料的結(jié)構(gòu)化。該制造方法技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單，降低成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本技術(shù)涉及鋰離子電池負(fù)極材料以及激光先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是使用選區(qū)激光熔化技術(shù)復(fù)合脫合金工藝在銅集流體上制備多孔硅結(jié)構(gòu)的鋰離子電池電極制造技術(shù)。

背景技術(shù)

鋰離子電池在充放電過(guò)程中具有放電比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)成為目前能量?jī)?chǔ)存及轉(zhuǎn)換的主要載體，其發(fā)展趨勢(shì)為提高電池能量密度，減小電池體積，降低對(duì)環(huán)境的負(fù)荷。

電極是鋰離子電池的核心部件，包括正極和負(fù)極。常用負(fù)極材料包括硅基、碳基等材料，硅的理論放電比容量達(dá)到4200mAhg^-1，遠(yuǎn)高于石墨電極(372mAhg^-1)，易滿足鋰離子電池高能量密度、小型化、輕量化等要求。鋰離子電池充放電過(guò)程中的反應(yīng)如下：

在常溫下，鋰離子嵌入硅電極時(shí)反應(yīng)生成Li₁₅Si₄，會(huì)產(chǎn)生大于300％的體積變化，造成硅碎裂粉化，脫離集流體；電極表面SEI膜反復(fù)碎裂生長(zhǎng)，消耗電解質(zhì)，降低電池比容量和循環(huán)性能。Dahn等通過(guò)原位原子力顯微鏡觀察晶態(tài)硅負(fù)極材料的充放電過(guò)程，證明電極的體積變化具有極高的各向異性，改變硅的結(jié)構(gòu)有利于緩解其體積效應(yīng)。[非專(zhuān)利文獻(xiàn)1：Huggins,R.A.Boukamp,B.A.All-solid electrodes with mixed conductormatrix.Journal of the Electrochemical Society 128,725-729(1981)]Cui等通過(guò)研究非晶態(tài)鋰硅化合物的斷裂機(jī)制發(fā)現(xiàn)當(dāng)非晶態(tài)鋰硅化合物的尺寸減小時(shí)，可以有效預(yù)防硅電極破碎。[非專(zhuān)利文獻(xiàn)2：Ryu,I.,Choi,J.W.,Cui,Y.Nix,W.D.Size-dependent fractureof Si nanowire battery anodes.Journal of the MechanicsPhysics of Solids 59,1717-1730(2011)]目前硅電極的研究方向主要為減小硅顆粒尺寸，改變其微觀結(jié)構(gòu)，獲得高性能鋰離子電池硅電極材料。