[发明专利]负极、具有该负极的电池及负极制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种负极，尤其涉及一种含有碳和硅的负极。

本发明还涉及一种具有含有碳和硅的负极的电池。

本发明还涉及一种负极的制备方法。

背景技术

锂电池作为现有技术中的一种高能量密度电池，被业界人员进行了广泛的研究。目前，就制作锂电池的电极材料，有很多的研究方案。

比如，一种利用气-液-固VLS(Vapor-liquid-solid)法获得的硅纳米线材料，是一维的硅纳米材料。VLS法是一种用来制备一维纳米材料的方法。通常，通过直接在固体表面吸附气相来生长晶体的过程比较缓慢。为了克服这一缺点，该法中引入了一种可以快速吸收气体达到饱和状态的液态合金，可以使气态原子在液固界面凝聚成核。当这些原子数量超过液相中的平衡浓度后，结晶便会在合金液滴的下部析出，并最终生长成纳米线，而合金则留在其顶部。也就是说，结晶是从衬底表面延伸，并按一定方向形成具有一定形状、直径和长度的一维纳米材料。这种方法获得的负极材料其循环性能高，但由于其制备的工艺过程复杂，商业化的可能性小。

另一种采用氧化铝模版制备的覆碳硅纳米管负极材料。这种负极材料的容量比普通的商业化的石墨电极的容量大10倍。

负极材料采用硅纳米线或硅纳米管，使得负极材料结构本身存在缓冲空间，能缓解因充放电过程中硅体积的巨大变化引起的粉化现象，因而大幅提高硅负极的性能。

以上提到的两种负极材料都是在减小硅的尺度方面进行的努力，以缓解负极的粉化现象。但这两种材料的合成中用到的合成方法过程复杂，有的需要昂贵的催化剂或CVD设备，有的合成条件较难工业化。

在现有技术中，以硅作为负极材料时，通常将硅制备成纳米硅线、纳米空心硅柱、互连的纳米空心硅球等特定结构，目的在于给硅在充放电时提供体积变化的缓冲的空间，并且与平面型的金属集流体具有良好的电接触性能。而单质硅本身由于其脆性、高熔点、延展性差等特性，大规模化学合成特定形貌(纳米硅线、纳米空心硅柱、互连的纳米空心硅球等)并且整齐地分布在平面型的集流体上具有较大的难度。

因此，现有技术实有必要进一步改进。

发明内容

本发明提供一种具有高容量、稳定循环性能并且加工工艺简单的负极。

本发明提供了一种负极，包括具有大比表面积的集流体和负极材料，所述负极材料包括硅，所述负极材料通过磁控溅射以颗粒和/或膜的形式沉积在所述集流体上。

优选的，所述集流体具有海绵状多孔结构，所述集流体的材料选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫碳或碳纤维布。

优选的，所述集流体的孔径大小范围为5-500微米。

优选的，所述集流体经过粗糙化处理。

优选的，所述集流体上附着有碳基材料，所述碳基材料选自导电碳黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、活性碳中的至少一种。

优选的，所述纳米硅在所述集流体上的沉积量范围为0.1-6.0mg/cm²。

本发明还提供了一种电池，包括正极、如上所述的负极以及设于所述正极和负极之间的电解质。

优选的，所述电解质中添加有碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸酯中的至少一种。

本发明还提供了一种负极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

以集流体为基体，采用中频电源或偏压电源，使用氩等离子体轰击硅靶，使硅沉积在所述集流体上，制得所述负极。

本发明还提供了一种负极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

将碳基材料与粘结剂在溶剂中混合，将制得的混合物涂布在集流体上，将涂有所述混合物的所述集流体进行干燥处理；

对干燥后的涂有所述混合物的所述集流体进行磁控溅射硅处理：以涂有所述混合物的集流体为基体，采用中频电源或偏压电源，使用氩等离子体轰击硅靶，使硅沉积在所述混合物上。

优选的，所述碳基材料和所述粘结剂的重量比范围为0.1-10。

优选的，所述磁控溅射处理过程中，通过冷却系统控制所述集流体的温度不高于200℃。

优选的，所述中频电源的脉冲直流频率为30-50KHz，在所述硅靶上施加的电压范围为50至600V。

优选的，所述偏压电源的脉冲频率为10-30KHz，栅偏压电势差范围为100至200V。

与现有技术相比，本发明中通过磁控溅射直接在具有大比表面积的集流体上制备硅负极，负极制备方法简单，获得的负极材料的容量大，导电性好，本发明揭示的制备负极的方法为工业化硅负极提供了一条新的制备途径。

附图说明