[發(fā)明專利]納米線電極結(jié)構(gòu)及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011382059.3
• 申請(qǐng)日: 2020-12-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112582590B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武青青;朱建軍;林威豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海天辰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;陳慧弘

本發(fā)明提供一種納米線電極結(jié)構(gòu)及其制備方法，所述納米線電極結(jié)構(gòu)，包括襯底，位于所述襯底上的納米線陣列，所述納米線陣列包括多個(gè)納米線結(jié)構(gòu)，所述納米線結(jié)構(gòu)包括：納米線中間核；第一包覆殼，所述第一包覆殼包覆所述納米線中間核；空隙層，所述空隙層位于所述第一包覆殼與所述納米線中間核之間。所述納米線電極結(jié)構(gòu)通過(guò)在第一包覆殼與納米線中間核之間形成空隙層，為第一包覆殼的嵌鋰膨脹提供空間，減少了第一包覆殼因?yàn)轶w積膨脹帶來(lái)的破碎，提高了納米線電極結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，同時(shí)提高納米線電極結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性，具有顯著的意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種納米線電極結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)

二十一世紀(jì)以來(lái)，能源問(wèn)題已成為制約各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問(wèn)題。煤、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源是目前支撐社會(huì)發(fā)展的主要能源。但是，化石能源不僅儲(chǔ)量問(wèn)題日漸突出，而且?guī)?lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，發(fā)展清潔的可再生能源成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在目前的儲(chǔ)能體系中，化學(xué)儲(chǔ)能電池因其高效便捷，無(wú)地域限制等特點(diǎn)脫穎而出，成為世界范圍內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

鋰離子電池(LIB)具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。隨著便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，對(duì)具有高能量密度、快速充放電和長(zhǎng)工作壽命的鋰離子電池產(chǎn)生了強(qiáng)烈需求。

硅作為下一代最具前景的負(fù)極材料之一，室溫下其理論容量高達(dá)3600mAhg^-1，然而，在鋰離子電池充放電過(guò)程中，硅負(fù)電極的嵌鋰/脫鋰過(guò)程會(huì)帶來(lái)劇烈的體積變化，體積膨脹率高達(dá)280％左右，從而導(dǎo)致硅負(fù)電極機(jī)械性能下降，嚴(yán)重程度時(shí)甚至出現(xiàn)硅負(fù)電極的碎裂；同時(shí)，由于機(jī)械性能下降，硅負(fù)電極與集電流之間出現(xiàn)斷裂而失去電接觸，以及硅負(fù)極電極表面的固態(tài)電解質(zhì)相(SEI)的破壞和再生，這些都導(dǎo)致鋰離子電池容量快速衰減和循環(huán)性能差的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種納米線電極材料及其制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提一種納米線電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：襯底，位于所述襯底上的納米線陣列，所述納米線陣列包括多個(gè)納米線結(jié)構(gòu)，所述納米線結(jié)構(gòu)包括：納米線中間核；第一包覆殼，所述第一包覆殼包覆所述納米線中間核；空隙層，所述空隙層位于所述第一包覆殼與所述納米線中間核之間。

優(yōu)選地，所述第一包覆殼為硅基包覆殼，所述硅基包覆殼的材料包括摻雜元素的硅基材料，所述摻雜元素包括鈦、鎢、鉑、鍺、磷、氮、砷中的一種或多種組合；所述摻雜元素的硅基材料的含硅量大于或等于50％。

優(yōu)選地，m層所述第一包覆殼和m層所述空隙層交替包覆所述納米線中間核，m為大于或等于1，且小于或等于100的整數(shù)。

優(yōu)選地，所述納米線結(jié)構(gòu)還包括第二包覆殼，所述第二包覆殼部分或全部包覆所述第一包覆殼的表面，所述第二包覆殼為鍺基包覆殼，所述鍺基包覆殼的材料包括摻雜元素的鍺基材料，所述摻雜元素包括鈦、鎢、鉑、磷、氮、砷、硅中的一種或多種組合；所述摻雜元素的鍺基材料的含鍺量大于或等于20％。

優(yōu)選地，所述納米線結(jié)構(gòu)還包括第三包覆殼，所述第三包覆殼包覆所述第二包覆殼的表面，所述第三包覆殼為碳基包覆殼。

優(yōu)選地，所述石墨烯包覆殼為單層石墨烯包覆殼或少層石墨烯包覆殼，所述少層石墨烯包覆殼為n層石墨烯包覆殼，n為大于或等于2，且小于或等于10的整數(shù)；所述石墨烯包覆殼全部包覆所述第二包覆殼的表面。

優(yōu)選地，所述多個(gè)納米線中間核以3D海綿狀排列或3D網(wǎng)絡(luò)狀排列而形成3D海綿狀納米線陣列，所述納米線陣列形成3D海綿狀電極；或，所述多個(gè)納米線中間核以2D薄膜狀排列形成所述納米線陣列，所述納米線陣列形成2D薄膜狀電極或纖維狀電極。