[发明专利]一种用于锂离子电池的多层纳米复合电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是一种用于锂离子电池的多层纳米复合电极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池问世仅仅不到三十年，相比于阀控铅酸蓄电池可充电镍镉电池或镍氢电池来说，锂离子电池以其单位能量密度高可适用范围广泛，以及优异的大电流放电等优势成为这些二次电池中的佼佼者。新世纪初，随着新能源动力汽车的研制与发展，降低能源的消费带来的环境污染、替代基于化石燃料的陈旧能源结构为目的能源改革正在推进，以锂离子电池为核心的能源构架正获得广泛的认同与接受。

锂离子电池的负极应具有如下特点：电极电位较低，能够保持一个平稳的平台，使锂离子电池能够得到稳定的输出电压；理论比容量要尽可能地高，就是能够有更多的锂离子嵌入和脱出；材料在插锂和脱锂时，其结构应该保持不变或变化很小，从而保证电池具有好的循环性能；具有良好的电子导电性和快的锂离子传输速度，这样可以减少电池极化，在大倍率电流密度下充放电时，电池仍然可以具有高的比容量；界面性能要优异，可以与电解液形成稳定且良好的固体电解质界面膜(SEI 膜)；容易制备、来源丰富、成本低、无毒、安全和环境友好。目前所使用的锂离子电池负极活性物质为石墨，然而石墨的理论比容量不高，无法满足日益增长的能量需求。硅作为活性物质，具有很高的理论比容量，但体积膨胀大于300%，导致活性物质粉化脱落，不可逆容量增加，电池寿命短。很多研究者将碳硅核壳纳米结构作为活性物质，可以很好的限制硅体积的膨胀，但活性物质的电阻较大，电池性能低。也有研究者研究出含有铜硅核壳纳米结构的电极，但硅的膨胀收缩导致硅纳米材料的脱落。传统的活性物质涂料里都含有导电剂，粘结剂等对电池容量不起作用的材料，不但降低了电池有效利用体积，还增加了活性物质的电阻。

发明内容

为了提高锂离子电池的容量，有效地限制硅的体积膨胀，提高电极的导电性能，减少粘结剂和导电添加剂的使用，从而有利于提高电池的可逆容量、库伦效率、循环稳定性等电化学性能，本发明提供了一种用于锂离子电池的多层纳米复合电极。

本发明还提供了所述一种用于锂离子电池的多层纳米复合电极的制备方法。

本发明通过如下技术方案实现。

一种用于锂离子电池的多层纳米复合电极，主要由铜集流体和多层活性物质构成；所述铜集流体由铜粉颗粒构成；

所述铜集流体具有多孔结构和纳米针状结构；所述多孔结构存在于铜粉颗粒之间；所述纳米针状结构在铜粉颗粒的表面上；

所述多层活性物质包覆在带纳米针状结构的铜粉颗粒的外表面；所述多层活性物质包括硅纳米层和碳纳米层，所述碳纳米层包覆在硅纳米层的外表面。

所述的一种用于锂离子电池的多层纳米复合电极的制备方法，包括如下步骤：

（1）铜粉的烧结：称量铜粉置于石墨模具中，放入真空电阻炉中，高温烧结，得到烧结样品；

（2）氧化铜纳米针状结构的生长与还原：将烧结样品置于马弗炉中，高温加热后，再置于真空电阻炉中，氢气气氛下加热还原，得到所述铜集流体；

（3）硅纳米层的沉积：将铜集流体置于化学气相淀积反应器（CVD）内，通入纯硅烷（SiH4），完成硅纳米层的沉积；

（4）碳纳米层的包覆：将沉积了硅纳米层的铜集流体置于聚乙烯醇溶液中浸泡，真空干燥后，置于真空电阻炉内，保护气氛下加热保温，得到所述用于锂离子电池的多层纳米复合电极。

进一步地，步骤（1）中，所述高温烧结的温度为800~900℃，时间为1~2h。

进一步地，步骤（1）中，所述高温烧结是在氢气气氛下进行。

进一步地，步骤（2）中，所述高温加热的温度为400~700℃，时间为5~7h。

进一步地，步骤（2）中，所述高温加热是在空气气氛下进行。

进一步地，步骤（2）中，所述加热还原的温度为250~300℃，时间为2~2.5h。

进一步地，步骤（3）中，所述纯硅烷的通入量为4~7ml/min。

进一步地，步骤（3）中，所述化学气相淀积反应器内的沉积过程参数为：压力75~80Pa，温度200℃~250℃，时间30~40min，射频功率74~76mW/cm²。

进一步地，步骤（4）中，所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为4wt%~5wt%。

进一步地，步骤（4）中，所述浸泡的时间为2~3h。

进一步地，步骤（4）中，所述真空干燥是在60~70℃下干燥6~7h。