[发明专利]硅纳米线阵列膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高性能锂离子电池阳极的制备方法，特别涉及一种高 性能锂离子电池阳极-硅纳米线阵列膜电极的制备方法。

背景技术

可充电锂离子电池是当今信息化移动社会的重要设备。它们应用 于便携式电子设备，电车和医疗设备。设计电极材料的主要挑战之一 是把高的锂离子存储容量和好的循环性能结合起来。商业化的石墨碳 有好的循环性能，但是容量低(372mAh g^-1)。硅基材料的锂离子电池负 极由于拥有高的容量(4200mAh g^-1)而受到广泛关注。但是，硅在充放 电过程中经历了很大的体积变化(＞300％)。如此大的体积变化会导致电 极粉碎并与电流收集器脱离，最终使电池容量快速衰减。为了提高电 池寿命，采取了一些措施，比如减小材料的尺寸或者使用薄膜或者合 金。纳米硅阳极的循环寿命提高了，这是因为纳米硅在锂离子嵌入和 脱出过程中可以容纳大的体积变化并保持电极的整体性。

现有的制备硅纳米线阵列的方法有化学气相沉积法、金属催化腐 蚀法、模板法和光刻法等，但制备的硅纳米线阵列都在某种基底上， 例如硅片基底或者铁片等金属基底。彭奎庆等人使用金属催化腐蚀法 制备的硅纳米线作为锂离子电池阳极，但是，由于硅纳米线下面保留 了几百微米厚的硅基片，所以他们无法排除硅基片对阳极容量的贡献。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高性 能锂离子电池阳极-硅纳米线阵列膜电极的制备方法，制备了背面是 硅铝合金层或者表面包裹了碳层的硅纳米线阵列膜作为锂离子电池阳 极，具有制作简单、体积小、传输性高、适合批量生产的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：硅纳米线 阵列膜电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将单晶硅片放入氢氟酸和硝酸银的水溶液里60-90s，溶液内 各组分的体积比为：AgNO₃∶HF∶H₂O＝1∶4-8∶15-26，用无电镀沉积的方 法镀上一层银纳米颗粒膜；

(2)将表面镀有银纳米颗粒膜的单晶硅片放入氢氟酸和双氧水的水 溶液里进行腐蚀，溶液内各组分的体积比为： H₂O₂∶HF∶H₂O＝1∶4-8∶15-26，腐蚀温度是50-60℃，腐蚀时间为80-90 min；

(3)腐蚀结束后，硅晶片的两个表面都是长度为50-60μm的硅纳米 线阵列，中间是没有腐蚀的100-120μm厚的硅晶片，用细砂纸将两面 的硅纳米线磨去，清洗之后重复步骤(1)和(2)，直至完全被腐蚀，判断 硅晶片完全被腐蚀成硅纳米线阵列膜的关键现象是：起初沉在腐蚀液 底部的硅晶片在溶液中漂浮起来；

(4)用体积比为10％-15％的硝酸水溶液洗去硅纳米线膜上的银颗 粒，然后用去离子水把硅纳米线膜清洗干净；

(5)用真空热蒸镀的方法在硅纳米线膜的背面镀上200-300nm厚 的铝膜，然后在氩气保护下退火形成Si-Al合金，退火温度为580-600 ℃，时间为1-2h，作为电极的电流收集器；或者在硅纳米线膜表面包 裹一层10-20μm厚的碳气凝胶，然后真空烧结，烧结温度是650-700 ℃，时间是2-3h，碳气凝胶热解成碳，作为电极的电流收集器，即得 到硅纳米线阵列膜电极。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明提供了一种操作简便、重复性好的制备硅纳米线阵列膜 电极的方法。

(2)利用本发明制备的硅纳米线阵列膜电极作为阳极组装的锂离子 电池有很好的性能，稳定容量达到目前商业上使用的石墨碳容量的3-4 倍。

(3)本发明制备的硅纳米线阵列膜电极作为锂离子电池阳极有几个 优点：第一，小的硅纳米线直径可以容纳电池充放电过程中大的体积 变化；第二，硅铝合金层或者碳层提高了电极的电子传输性；第三， 硅纳米线形成了膜，电极不需要会额外增加重量的粘结剂和导电剂； 第四，本发明硅纳米线阵列膜电极的制备过程简单，便宜而且适用于 工业生产。

附图说明

图1是本发明制备的硅纳米线阵列膜电极的扫描电镜照片，其中： (a)是未处理的膜的俯视图，(b)是背面镀铝的膜的俯视图，(c)是表面包 裹碳的膜的俯视图，(d)是膜的截面图。