[發(fā)明專(zhuān)利]Si/C納米線(xiàn)制造方法、Si/C納米線(xiàn)鋰離子電池電極制造方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011325140.8
• 申請(qǐng)日: 2020-11-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112447977A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-05
• 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): H01M4/62
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/62;H01M4/38;H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 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)明提出一種Si/C納米線(xiàn)制造方法、Si/C納米線(xiàn)鋰離子電池電極制造方法。本發(fā)明采用激光?化學(xué)?熱處理復(fù)合工藝高效、快速、大面積制備Si/C納米線(xiàn)。首先使用激光重熔Al?Si合金，然后將重熔層腐蝕后研磨獲得Si納米線(xiàn)，再?gòu)?fù)合熱處理工藝制備Si/C納米線(xiàn)，最后經(jīng)涂覆獲得鋰離子電池負(fù)極。該電極中Si/C納米線(xiàn)互相連接并存在間隔，表面被非晶碳包覆，有利于緩解體積膨脹，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該制造方法可實(shí)現(xiàn)高效、低成本、高產(chǎn)量制備性能良好的鋰離子電池。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，具體涉及一種Si/C納米線(xiàn)的制造方法、Si/C納米線(xiàn)鋰離子電池電極制造方法及由該方法制造的Si/C納米線(xiàn)鋰離子電池電極，以及包含該電極的鋰離子電池。

背景技術(shù)

鋰離子電池是一種良好的能量?jī)?chǔ)存-轉(zhuǎn)換載體，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。提高鋰離子電池的容量和循環(huán)性能是當(dāng)前研究的主要目標(biāo)。在現(xiàn)有電池負(fù)極材料中，Si具有極高的理論比容量(約4200mAhg^-1)，因此被廣泛關(guān)注。以硅作為負(fù)極活性物質(zhì)，可以顯著提高鋰離子電池的容量。然而硅在嵌鋰-脫鋰過(guò)程中表現(xiàn)出極大的體積膨脹，容易使電極結(jié)構(gòu)失效，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

目前，大量研究表明，納米結(jié)構(gòu)能夠有效降低硅的體積膨脹效應(yīng)，改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性，例如納米顆粒、納米線(xiàn)以及納米柱等結(jié)構(gòu)。以一維Si納米結(jié)構(gòu)為例，Cui等人以Au為催化劑，在不銹鋼基體表面使用VLS生長(zhǎng)法(氣-液-固生長(zhǎng)法)制備Si納米線(xiàn)，電極循環(huán)20圈后容量剩余3500mAh/g，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。[非專(zhuān)利文獻(xiàn)：C.K.Chang,H.L.Peng,G.Liu,K.Mcllwrath,X.F.Zhang,R.A.Huggins,Y.Cui,Nat.Nanotechnol.3(2008)31-35]然而，在電池長(zhǎng)周期循環(huán)過(guò)程中，由于Si與電解液直接接觸，其表面SEI(solid electrolyteinterphase，固體電解質(zhì)膜)會(huì)連續(xù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致電池容量迅速降低。此外，Si納米線(xiàn)在反復(fù)嵌鋰-脫鋰過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)發(fā)生碎裂，導(dǎo)致電極失效。已有研究表明，在Si表面制備包覆層可以有效防止連續(xù)SEI生成；與此同時(shí)，包覆層可以有效緩解Si的體積膨脹，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高電池的電化學(xué)性能。例如Yang等人首先使用貴金屬輔助化學(xué)腐蝕工藝制備Si納米線(xiàn)，然后使用微波等離子體化學(xué)蒸發(fā)沉積工藝獲得由石墨烯和SiC雙層包覆的Si納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)，電極經(jīng)充放電循環(huán)500圈后容量剩余1650mAh/g，電極表現(xiàn)出非常良好的循環(huán)穩(wěn)定性。[非專(zhuān)利文獻(xiàn)：Y.Yang,J.G.Ren,X.Wang,Y.S.Chui,Q.H.Wu,X.F.Chen,W.J.Zhang,Nat.Nanoscale 5(2013)8689-8694]由此可知，制備包覆的Si納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)，有利于提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。然而現(xiàn)有制備Si納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)的工藝復(fù)雜程度高、成本昂貴且效率較低，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

由此，本領(lǐng)域亟需研發(fā)一種工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高的制造工藝，用以制備高性能鋰離子電池電極，促進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種Si/C納米線(xiàn)的制造方法及Si/C納米線(xiàn)鋰離子電池電極制造方法，該方法具有成本低、效率高、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種Si/C納米線(xiàn)的制造方法，包括以下步驟：

步驟101，使用激光對(duì)Al-Si合金進(jìn)行表面重熔處理；

步驟102，分離所述Al-Si合金表面的重熔層，使用腐蝕液將所述重熔層脫Al；

步驟103，對(duì)脫Al處理后的重熔層進(jìn)行研磨，獲得Si納米線(xiàn)；

步驟104，高溫下碳化處理所述Si納米線(xiàn)，獲得Si/C納米線(xiàn)。

優(yōu)選地，在所述步驟101之前，還包括：

步驟100，在表面重熔處理之前，對(duì)Al-Si合金進(jìn)行預(yù)處理；