[发明专利]一种采用激光表面重熔技术复合扩散焊和脱合金制备锂离子电池硅负极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极的制备领域，具体地说，是一种采用激光表面重熔技术复合扩散焊和脱合金制备锂离子电池硅负极的方法。

背景技术

锂离子电池由于比能量高、充放电寿命长、无污染和安全可靠等优点，已广泛应用于现代通讯、便携式电子产品以及混合动力汽车等领域。锂离子电池主要由四部分组成，正极，负极，隔膜和电解液。其中负极是决定锂离子电池性能以及价格的重要因素。目前商用的锂离子电池负极材料主要是石墨类碳，理论容量372mA·h/g，实际容量已接近理论值，不能满足目前需求。

而硅的理论储锂容量为4200mA·h/g，是石墨的十倍左右，电压平台适中，有望替代石墨成为锂离子电池的新型负极材料。目前采用模板法(镁热还原法﹑CVD法)和非模板法(化学腐蚀法﹑电化学腐蚀法)制备的硅材料为微纳米粉末，需要添加导电剂和粘结剂涂覆到集流体表面。但是硅在充放电过程中，发生300％的体积变化，对电极的结构造成巨大破坏，进而使硅材料与集流体脱落，失去电接触，使循环性能迅速衰减。

通过沉积溅射的方法在基体上直接溅射硅颗粒，可以直接实现结构与功能一体化制备，但是它们和集流体的结合方式都是机械结合，数次循环后，活性物质与集流体脱落，失去电接触，因此循环性能迅速下降。Cao Feifei等利用磁控溅射法在铜表面沉积硅颗粒，电流密度300mA/g条件下，首次充放电容量分别为1890m·Ah/g，3800m·Ah/g。(Cu-Si Nanocable Arrays as High-Rate Anode Materials for Lithium-Ion Batteries..Feifei Cao et al.Adv.Mater.2011,23,4415–4420)但是上述方法制备的硅材料与集流体仍然是机械结合，无法避免硅的体积变化对电极结构的破坏。

本发明采用激光表面重熔复合扩散焊和脱合金的方法，首先采用激光表面重熔技术在铝合金基底上制备铝硅前驱体合金涂层，然后将前驱体合金与铜焊接在一起，最后再去合金化，制备出了与铜集流体冶金结合的硅负极。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种采用激光表面重熔技术复合扩散焊和脱合金制备锂离子电池硅负极的方法。

1.本发明采用以下技术方案：采用激光表面重熔技术制备铝硅合金熔凝层，并将熔凝层从基体上分离，得到铝硅合金前驱体，然后采用扩散焊将铝硅合金前驱体与集流体焊接在一起，最后采用腐蚀剂对铝硅合金前驱体进行化学脱合金处理，去掉元素铝，最终获得与集流体冶金结合的硅负极。

2.进一步，采用激光表面重熔技术制备前驱体时，重熔材料为铝硅合金，其化学成份质量百分比为：Al：50～95％、Si：5～50％。

3.进一步，激光重熔处理功率密度为2×10⁴～2.5×10⁵W/cm²，扫描速度为2～30mm/s。

4.进一步，集流体材料为铜。

5.进一步，扩散焊温度450～550℃，压力0.5～2Mpa，焊接时间0.5～1.5小时。

6.进一步，化学脱合金所用腐蚀剂为氢氧化钠、氢氧化钾、盐酸、硫酸、硝酸、磷酸或氢氟酸。

7.进一步，化学脱合金用氢氧化钠、氢氧化钾、盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸的浓度为1～5mol/L，腐蚀时间为2～12小时。

硅含量小于5％时，活性物质硅太少，硅含量大于50％时，形成粗大的初晶硅，不能形成微纳米硅结构。

本发明采用激光表面重熔技术复合扩散焊和脱合金制备锂离子电池硅负极的方法，其优点如下：

1)采用激光表面重熔技术制备的铝硅合金前驱体，组织更加细小，明显改善了化学脱合金后得微纳米硅结构的均匀性。

2)硅与铜集流体冶金结合，有效防止充放电过程中多孔硅脱离集流体，可直接用于锂离子电池负极。

附图说明

图1是本发明的硅负极低倍下截面SEM图。

图2是本发明的硅负极高倍下截面SEM图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的描述，共提供两个实施例，但本发明不限于以下实施例。

实施例1

1.原料：

(1)铝硅块状合金，Al:Si＝95:5wt.％。

(2)腐蚀液：3mol/L的HCL溶液。

2.制备方法

一、铝硅合金前驱体的制备：