[发明专利]锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法

说明书

本发明提供一种锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1）将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液；2）提供金属催化衬底，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面；3）在步骤2）得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜。本发明的电池负极材料结构不仅保留了硅负极材料和石墨烯的固有特性，亦可发挥两者之间的协同效应；同时，可实现硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜与金属催化衬底集流体之间的有效接触，不仅可以提供高效的储锂能力，亦缓解了硅纳米材料在充放电过程中较大的体积变化，有效抑制和改善负极材料内部应力的产生避免负极材料粉化。

技术领域

本发明属于材料制备加工技术领域，特别是涉及一种锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法。

背景技术

自日本索尼公司成功研制出第一代锂离子电池，由于其能量密度高，循环寿命长以及环境污染小等诸多优点使它成为了大多数便携式电子设备所青睐的首选电池。锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜组成。通常情况下，锂离子的正极由含锂的金属化合物(如钴酸锂(LiCoO₂)、磷酸铁锂(LiFePO₄)和锰酸锂(LiMn₂O₄)构成。而负极由能够可储存锂离子的材料组成，如碳、过渡金属以及其他合金材料(如硅、锗)。负极材料的选择对锂离子电池的电化学性能和循环稳定性都具有较大的影响。石墨虽然广泛应用于锂离子电池负极材料，但是由于其较低的理论比容量以及充放电能力差等缺点限制了锂离子电池储锂性能的提升。为了提高锂离子电池的能量密度和储锂能力，科研人员正在不断探索更加适用于锂离子电池负极的材料，以期研制出更高质量和安全性好的锂离子电池。

硅由于其超高的理论比容量以及理想的工作电压，使其被认为是最有发展前景的负极材料之一。但是硅作为锂离子电池负极也有劣势，就是在反复脱-嵌锂过程中，材料体积发生大的变化，电极内部产生较大的应力，使负极材料粉化致使结构破坏，电化学循环性能差。同时，由于硅电极体积的改变，使得电极表面形成的固体电解质界面膜(SEI)不断破裂，导致其失去阻止有机溶剂分子进入到电极材料中的功能。而且，重新暴露的电极表面会与电解液反应以形成新的SEI膜，如此反复致使SEI膜的厚度不断增加最终导致储锂性能的大幅衰减，严重限制了硅在锂离子电池中的应用和发展。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法，用于解决现有技术中的石墨作为锂离子电池负极而存在理论比容量低、充放电能力差的问题，以及硅作为锂离子电池负极而存在的提及变化大、循环稳定性差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种锂离子电池负极材料结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液；

2)提供金属催化衬底，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面；

3)在步骤2)得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜。

作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述硅纳米材料包括硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中的至少一种。

作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中的至少一种。

作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述添加剂包括导电添加剂、稳定剂和粘结剂中的至少一种。

作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，所述导电添加剂包括乙炔黑或石墨中的至少一种。