一種硅基負(fù)極材料、制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅基負(fù)極材料、制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池是一種高能蓄電池，由于其具有能量密度高、使用壽命長、循環(huán)性能好且無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，受到了越來越廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)鋰離子電池的負(fù)極材料為石墨。石墨的理論嵌鋰容量為372mAh/g，實際已達(dá)到370mAh/g，因此，石墨類負(fù)極材料在容量上幾乎已無提升空間。近年來，各種新型的高容量和高倍率負(fù)極材料被開發(fā)出來，其中硅基負(fù)極材料由于其高的質(zhì)量比容量(硅的理論比容量為4200mAh/g)而成為研究熱點。
[0003]然而硅基負(fù)極材料在嵌脫鋰過程中伴隨著嚴(yán)重的體積膨脹與收縮，從而導(dǎo)致電極上的活性物質(zhì)粉化脫落，影響了活性物質(zhì)和集流體之間的連接，干擾了電子傳輸，最終導(dǎo)致容量衰減。同時，由于在脫嵌鋰過程中產(chǎn)生的重復(fù)的體積膨脹和收縮，使得硅基材料與電解質(zhì)之間形成的SEI膜(Solid Electrolyte Interface，固體電解質(zhì)界面膜)逐漸增厚。目前，有通過在硅基材料表面包覆碳層的方法來克服硅基負(fù)極材料的比容量衰減、增強(qiáng)電子的傳輸，從而提高所得鋰離子電池的電化學(xué)性能。
[0004]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下問題:包覆碳層之后的硅基負(fù)極材料與集流體之間的連接性能仍然較差，隨著脫嵌鋰過程產(chǎn)生的劇烈的體積變化，硅基負(fù)極材料仍然會從集流體上脫落，并且使SEI膜不斷增厚。同時，包覆碳層之后的硅基材料，由于沒有和集流體之間直接接觸，還導(dǎo)致了結(jié)電阻的形成。影響鋰離子電池的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供一種與集流體連接性能好、電子傳輸能力強(qiáng)的硅基負(fù)極材料、制備方法及其應(yīng)用。
[0006]具體而言，包括以下的技術(shù)方案:
[0007]第一方面，本發(fā)明實施例提供一種硅基負(fù)極材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟:
[0008]步驟a，利用含有第一金屬離子和第二金屬離子的電解液在基底表面電沉積第一金屬/第二金屬合金層，所述電解液中第一金屬離子和第二金屬離子的摩爾比為1:0.02?1:0.08；
[0009]步驟b，利用刻蝕劑去除所述第一金屬/第二金屬合金層中的第二金屬，得到多孔結(jié)構(gòu)的第一金屬層；
[0010]步驟C，采用化學(xué)氣相沉積法在步驟b所得多孔結(jié)構(gòu)的第一金屬層表面沉積納米硅顆粒即得所述硅基負(fù)極材料。
[0011]進(jìn)一步地，步驟a具體包括:將所述第一金屬的可溶性鹽、所述第二金屬的可溶性鹽以及pH值調(diào)節(jié)劑溶于水中得到所述電解液;在室溫下，將所述基底放入所述電解液中進(jìn)行電沉積，在所述基底表面形成所述第一金屬/第二金屬合金層;用去離子水沖洗沉積有所述第一金屬/第二金屬合金層的基底，然后對沖洗后的基底進(jìn)行干燥。
[0012]進(jìn)一步地，步驟b具體包括:將干燥后的表面沉積有所述第一金屬/第二金屬合金層的基底放入所述刻蝕劑中，使所述第一金屬/第二金屬合金層中的第二金屬與所述刻蝕劑充分反應(yīng)以除去第二金屬；用去離子水沖洗去除所述第二金屬后的基底，然后對沖洗后的基底進(jìn)行干燥。
[0013]進(jìn)一步地，所述基底為不銹鋼箔片，所述第一金屬為鎳，所述第二金屬為銅、鋅或者銀。
[0014]進(jìn)一步地，所述第一金屬的可溶性鹽為硫酸鎳或者硝酸鎳;所述第二金屬的可溶性鹽為硫酸銅、硝酸銅、氯化銅、硫酸鋅、硝酸鋅、氯化鋅或者硝酸銀。
[0015 ] 進(jìn)一步地，所述pH值調(diào)節(jié)劑為硼酸，所述電解液的pH值為4?5。
[0016]進(jìn)一步地，步驟c中，用于在所述多孔結(jié)構(gòu)的第一金屬層表面沉積硅納米顆粒的前軀體為 SiH4、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2 或 SiH3Cl 中至少一種。
[0017]進(jìn)一步地，化學(xué)氣相沉積的條件為:在800°C?900 °C下沉積4?6小時。
[0018]第二方面，本發(fā)明實施例提供一種由本發(fā)明第一方面所述的制備方法制備得到的硅基負(fù)極材料。
[0019]第三方面，本發(fā)明實施例提供一種本發(fā)明第二面所述的硅基負(fù)極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。
[0020]本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案的有益效果:
[0021]本發(fā)明實施例通過在基底上沉積多孔結(jié)構(gòu)的第一金屬層，并在第一金屬層上沉積硅納米顆粒，使活性物質(zhì)一硅和集流體成為一個整體，從而增強(qiáng)了硅和集流體之間的結(jié)合能力，使硅和集流體緊密接觸，解決了硅基負(fù)極材料由于劇烈的體積變化引起的與集流體接觸不良影響電子傳輸?shù)膯栴}，極大的提高了電子的傳輸效率，并且能夠有效防止在脫嵌鋰過程中SEI膜不斷增厚。因此，以本發(fā)明實施例提供制備方法制備得到的硅基負(fù)極材料制作的鋰離子電池具有較高的質(zhì)量比容量以及較好的循環(huán)穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本發(fā)明實施例提供的娃基負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實施例提供的硅基負(fù)極材料中導(dǎo)電金屬層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中附圖標(biāo)記分別表示:
[0026]1-基底，2-導(dǎo)電金屬層，3-硅納米顆粒，4-導(dǎo)電金屬層中的孔。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。除非另有定義，本發(fā)明實施例所用的所有技術(shù)術(shù)語均具有與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的相同的含義。
[0028]第一方面，本發(fā)明實施例提供一種硅基負(fù)極材料的制備方法，該制備方法包括以下步驟:
[0029]步驟I，利用含有第一金屬離子和第二金屬離子的電解液在基底表面電沉積第一金屬/第二金屬合金層，電解液中第一金屬離子和第二金屬離子的摩爾比為1:0.02?1:
0.08ο
[0030]步驟2，利用刻蝕劑去除第一金屬/第二金屬合金層中的第二金屬，得到多孔結(jié)構(gòu)的第一金屬層。
[0031]步驟3，采用化學(xué)氣相沉積法在步驟2所得多孔結(jié)構(gòu)的第一金屬層表面沉積硅納米顆粒即得硅基負(fù)極材料。
[0032]本發(fā)明實施例提供的制備方法中，首先通過電沉積的方法在基底上沉積第一金屬/第二金屬合金層，然后利用刻蝕劑將第二金屬去除后，形成具有三維多孔結(jié)構(gòu)的第一金屬層。再將硅納米顆粒沉積到第一金屬層表面后得到一種活性物質(zhì)一硅和集流體一體化的硅基負(fù)極材料。由于活性物質(zhì)一硅和集流體為一體結(jié)構(gòu)，因此增強(qiáng)了硅和集流體之間的結(jié)合能力，使硅和集流體緊密接觸，解決了硅基負(fù)極材料由于劇烈的體積變化引起的與集流體接觸不良影響電子傳輸?shù)膯栴}，極大的提高了電子的傳輸效率，并且能夠有效防止在脫嵌鋰過程中SEI膜不斷增厚。同時，與傳統(tǒng)平整光滑的集流體不同，本發(fā)明實施例制備得到的集流體為三維多孔結(jié)構(gòu)，具有較大的表面積，可以容納更多的硅納米顆粒。綜上，以本發(fā)明實施例提供制備方法制備得到的硅基負(fù)極材料制作的鋰離子電池具有較高的質(zhì)量比容量以及較好的循環(huán)穩(wěn)定性。
[0033]進(jìn)一步地，上述的制備方法中，步驟I中在基底上沉積第一金屬/第二金屬合金層的具體步驟為:
[0034]步驟11，將第一金屬的可溶性鹽、第二金屬的可溶性鹽以及pH值調(diào)節(jié)劑溶于水中得到電解液。
[0035]步驟12，在室溫下，將基底放入電解液中進(jìn)行電沉積，在基底表面形成第一金屬/
第二金屬合金層。
[0036]步驟13，用去離子水沖洗沉積