[发明专利]阵列化镍硅纳米线及镍硅-硅核壳纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及用于锂离子电池负极的阵列化镍硅纳米线及镍硅-硅核壳纳米线的制备方法。

背景技术

由于具有比较高的理论容量，硅被认为是理想的锂离子电池负极石墨类碳材料的替代物，从而满足高能量密度锂离子电池的需求。然而由于在充放电过程中巨大的体积变化，会导致硅电极材料的粉化，其容量会急剧下降；另外，硅电极材料在大的充放电电流下性能不稳定，这些都限制了其作为锂离子电池负极材料的商业化应用。

目前越来越多的工作致力于改善硅作为锂离子电池负极材料的性能，其中阵列化的电极结构具有独特的优势。第一，与基体的电接触好，大大提高了电极材料的导电性，第二，阵列化结构之间的间隙能有效的缓解硅电极材料在循环过程中巨大的体积膨胀，从而大幅度改善其循环性能。到目前为止，阵列化的硅纳米管、阵列化的硅纳米线、阵列化的碳纳米管-硅异质结构和阵列化的镍-硅核壳结构都被用于锂离子电池的负极中并获得了性能上的提高。然而，这些方法还面临一些问题，例如不能实现大的基体上高密度的阵列化结构的生长、反应过程繁琐、反应条件较为苛刻以及电极的导电性较差等。因此，还需要对电极结构进行细致的设计从而进一步改善硅负极材料的锂电性能。

发明内容

本发明提供了一种用于锂离子电池负极的阵列化镍硅纳米线及镍硅-硅核壳纳米线的制备方法，通过简易的方法在大片金属衬底上实现阵列化镍硅纳米线的高密度生长，其中镍硅的相可控，随后通过简易的方法实现高质量阵列化镍硅-硅核壳纳米线的制备，其中镍硅与硅的比例可控。

一种阵列化镍硅纳米线的制备方法，包括以下步骤：

(1)将用于锂离子电池负极基体的金属衬底用盐酸和乙醇分别清洗，随后干燥备用；所述的干燥为真空干燥或者氮气吹干；所述的盐酸和乙醇采用通用的市售稀盐酸和酒精产品即可，通常将质量分数低于37％的盐酸称为稀盐酸；

(2)通过热丝化学气相沉积装置在经步骤(1)清洗过的金属衬底表面生长阵列化镍硅纳米线，设置硅烷流量为10～1000sccm，氢气流量为10～1000sccm，腔体气压为10～1000Pa，温度为200～1000℃，反应时间为1～300min，得到阵列化镍硅纳米线。

所述金属衬底和生长在金属衬底上的阵列化纳米线材料构成锂离子电池负极。

所述金属衬底为泡沫镍、镍箔、表面镀镍的泡沫铜、表面镀镍的铜箔或表面镀镍的钛箔。

上述方法中，通过工艺参数控制，可以得到不同结晶相(Ni₃Si₂、NiSi、Ni₂Si、NiSi₂或Ni₃₁Si₁₂)的镍硅纳米线，因此，所述阵列化镍硅纳米线为Ni₃Si₂纳米线、NiSi纳米线、Ni₂Si纳米线、NiSi₂纳米线或Ni₃₁Si₁₂纳米线。

一种镍硅-硅核壳纳米线的制备方法，包括以下步骤：

(1)将用于锂离子电池负极基体的金属衬底用盐酸和乙醇分别清洗，随后干燥备用；所述的干燥为真空干燥或者氮气吹干；所述的盐酸和乙醇采用通用的市售稀盐酸和酒精产品即可，通常将质量分数低于37％的盐酸称为稀盐酸；

(2)通过热丝化学气相沉积装置在经步骤(1)清洗过的金属衬底表面生长阵列化镍硅纳米线，设置硅烷流量为10～1000sccm，氢气流量为10～1000sccm，腔体气压为10～1000Pa，温度为200～1000℃，反应时间为1～300min，得到阵列化镍硅纳米线；

(3)通过射频溅射的方法在步骤(2)得到的阵列化镍硅纳米线的表面沉积一层厚度可控的硅，设置硅衬底温度为20～500℃，氩气流量为10～1000sccm，腔体气压为1～100Pa，溅射功率为10～1000W，溅射时间为1～300min，得到阵列化镍硅-硅核壳纳米线。

所述金属衬底和生长在金属衬底上的阵列化纳米线材料构成锂离子电池负极。

所述金属衬底为泡沫镍、镍箔、表面镀镍的泡沫铜、表面镀镍的铜箔或表面镀镍的钛箔。