[發明專利]鋰合金靶材及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010238538.1
• 申請日: 2020-03-30
• 公開（公告）號: CN111519141B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 張艷芳;譚志;虞文韜
• 申請（專利權）人: 維達力實業（深圳）有限公司
• 主分類號: C23C14/14
• 分類號: C23C14/14;C23C14/35;B22D19/00;H01M4/04;H01M4/1395;H01M4/36;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 單驍越

本發明涉及一種鋰合金靶材及其制備方法與應用，該鋰合金靶材的制備方法中，通過在靶管的外壁設置凹陷部或紋路可增加靶管表面與熔融反應液的接觸面積，并使得混合液冷卻收縮時的應力釋放首先出現在凹處部分，從而使混合液在冷卻過程中與靶管能夠緊密貼合，得到品質優異的鋰合金靶材。該鋰合金靶材能對電極材料進行有效的補鋰，從而解決鋰離子電池體積膨脹的問題，并提高鋰離子電池的循環使用壽命。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，特別是涉及一種鋰合金靶材及其制備方法與應用。

背景技術

研究表明，硅作為鋰離子電池的負極材料時，電池的理論比容量高達4200mAh/g，遠高于商用石墨負極鋰離子電池(理論比容量高達372mAh/g)，因此受到技術研究人員的廣泛關注。然而，單質硅在充放電過程中伴隨著巨大的體積變化(高達300％)，會導致負極的活性顆粒破碎粉化后從集流體表面脫落，從而失去電接觸，同時也會加劇電極活性物質與電解液之間的副反應，最終導致電極性能急劇下降，這一問題極大地限制了硅作為鋰離子電池負極材料的發展和實際應用。進一步地，研究人員發現氧化亞硅也作為電池的負極材料時，也具有較高比容量，且相較于單質硅，氧化亞硅在充放電過程中體積變化較小；然而，氧化亞硅材料的電子電導和離子電導差，極大地影響了其電化學性能的發揮，同時，與單質硅相比，雖然氧化亞硅的體積膨脹得到了緩解，但其依然存在體積變化引起應力集中、導致活性物質開裂的問題。

為解決上述存在的問題，研究人員通過在負極材料/正極材料中進行補鋰，以解決電池體積膨脹的問題及提高首次效率。硅碳負極補鋰工藝是在硅碳負極表面預涂一層鋰金屬，該涂層與負極緊密接觸，在灌注電解液后與負極發生反應嵌入負極顆粒內部，預存一部分鋰離子在負極內部，從而彌補首次充放電或者循環過程中由于形成或修復SEI膜所需要消耗的鋰(Li)離子。

傳統技術中，預補鋰方法有很多，其中物理沉積(PVD)預補鋰方法是常用的補鋰方法，其中，真空蒸鍍是通過在高度真空條件下加熱金屬鋰，使其熔融、蒸發，冷卻后在材料表面沉積形成金屬薄膜的方法，然而真空蒸鍍不適用沸點高的補鋰材料，工藝條件太嚴苛。

而采用磁控濺射鍍的鋰金屬層的附著性好，且鍍膜過程中不需要加熱，是非常高效的補鋰方法。但是，采用磁控濺射時，補鋰材料不能直接放置到PVD補鋰設備中，需要首先將補鋰材料結合到靶管上形成鋰靶材，再將鋰靶材放置在補鋰設備中，對靶材濺射，給鋰離子電池負極/正極材料進行補鋰。然而，傳統技術制備鋰靶時，靶源材料混合液在冷卻收縮時會因內應力而引起局部起泡、鼓包導致靶源材料無法與靶管緊密貼合等問題，從而影響鋰合金靶材的品質，導致磁控濺射涂層結構不致密、不均勻，制得的鋰靶材無法完全有效解決鋰離子電池負極材料的體積膨脹的問題，導致鋰離子電池的循環使用壽命不高。

發明內容

基于此，本發明提供了一種鋰合金靶材及其制備方法與應用，其制得的鋰靶材應用于鋰電池，能有效解決電池體積膨脹的問題，從而提高鋰電池的循環使用壽命。

本發明的技術方案如下。

本發明一方面提供了一種鋰合金靶材的制備方法，包括如下步驟：

提供模具與靶管，將靶管設于模具中，靶管與模具的內壁之間形成用于成型的成型腔；靶管的外壁具有凹陷部，和/或靶管的外壁具有紋路；

將第一單質與第二單質混合，加熱，得到混合液；

將上述混合液澆入上述成型腔中進行冷卻，成型；

去除上述模具，得到鋰合金靶材；

其中，上述第一單質為熔融鋰，上述第二單質選自硼粉、硅粉和熔融硫中的任意一種。