[发明专利]独立的一维共轴纳米结构

说明书

技术领域

 本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及独立的一维共轴纳米结构。

背景技术

锂离子电池拥有高能量密度、高功率密度、安全性能好、循环寿命长的特点，而且不含有铅、镉、汞等污染物质，是一种较为理想的储能器件。随着当前电动汽车等高电量需求的电动工具及笔记本电脑等便携式电器的高速发展，其对锂离子电池的容量提出了越来越高的要求。高能量密度，重量轻以及长寿命是锂电工业界和学术界重要的开发课题。目前已经工业化生产的锂离子电池负极材料是碳类材料，其理论比容量为372mAh/g。这种材料是利用石墨的层状结构，小的锂离子插层到石墨层状结构的中间。然而，这种反应模式六个碳原子只能和一个锂离子反应，形成LiC₆。因此，限制了容量的提高。一些替代的材料，诸如硅、锡等在理论容量上有着优势。例如，硅材料，理论容量能高达4200mAh/g形成Li4.4Si形态化合物。但是随着容量的提高，带来了体积膨胀可高达400％在锂进入硅。在薄膜和微米量级的颗粒态的硅材料，这样大的体积膨胀会导致硅颗粒或膜的破碎，从而丧失了电接触以及电极材料的整体性能。一种解决办法是在材料的设计上引入纳米结构的概念诸如纳米颗粒、纳米线和纳米管等纳米概念。纳米结构通常指至少在一维尺度上小于1微米。这个小尺度，可以是线状物的直径、膜的厚度等。这些材料独特的形貌结构在一定程度上解决或缓解离子插层导致的材料原形貌的破碎。在这方面的研发中，美国斯坦福材料系崔屹教授在2009年提出根植于导电几片的一位纳米线结构。（美国专利号：No.12/437，529 filed on May 07，2009)。在他的研究中，硅纳米线直接生长在电极上，这种由一维硅纳米线结构组成的活性物质层，有效的解决了体积膨胀的问题，和电子通道等问题。

因此，需要一种新的一维共轴纳米结构以解决上述问题。

发明内容

本发明针对现有技术中电化学活性物质体积膨胀导致失去电化学性能以及无法提供电子通道的缺陷，提供一种能够提供导电通道并且电化学循环稳定的独立的一维共轴纳米结构。

为解决上述技术问题，本发明的独立的一维共轴纳米结构所采用的技术方案为：

独立的一维共轴纳米结构，包括独立的导电纳米线和电化学活性物质层，所述导电纳米线的外侧裹覆有所述电化学活性物质层。

更进一步的，所述导电纳米线的直径为10-100nm，所述电化学活性物质层的厚度为（0 nm，995 nm]。

更进一步的，所述电化学活性物质层外侧设置有一层膜，所述电化学活性物质层和膜之间具有间隙。这种结构可以调节表面材料的化学态，有利于电化学特性。预留的空间可以降低由于电化学活性物质层充放电体积膨胀所造成的应力损伤。在纳米线的表面涂附生长可以刻饰的一层膜。然后在外面在裹附一层电化学反应有益的膜如膜，铜膜。这一层膜可以让电解液通过，同时也可以包附表面在化学反应时形成SEI. 另外，这层膜也可以对有效物质的膨胀起到限制的作用。

更进一步的，所述导电纳米线为铜纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、碳纳米线、碳纳米管、硅化镍纳米线、硅化钴纳米线、硅化铜纳米线、硅化银纳米线、硅化铁纳米线、硅化锌纳米线、碳化钛纳米线、氧化锡纳米线、氧化锌纳米线或氧化铟纳米线。其中，制备导电纳米线的方法可采用气固液法、气固法等。

更进一步的，所述电化学活性物质层为活性阴极物质或活性阳极物质，所述活性阴极物质为晶体硅、非晶硅、锡、锗、碳、氧化硅、氧化锡、氧化锗、碳涂附的硅、硅涂附的碳、碳掺杂的硅、硅掺杂的碳、碳涂附的锗、锗涂附的碳、碳掺杂的锗、锗掺杂的碳、碳涂附的锡、锡涂附的碳、碳掺杂的锡或锡掺杂的碳中的一种或多种，所述阳极活性物质为LiCoO₂、LiFePO₄、LiMnO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiCoPO₄、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂、LiNi_XCo_YAl_ZO2、LiFe₂(SO4)₃、氟化碳或FeF₃中的一种或多种。电化学活性物质层可以通过化学气相沉积法、电镀、等离子体化学气相沉积、物理气相沉积等技术实现。例如，活性物质硅材料可以通过化学气相沉积化法制备。