[发明专利]一种多晶硅基纳米结构锂电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及了一种多晶硅基纳米结构锂电池的制备方法。

背景技术

随着科技的迅猛发展和环保意识的日益增强，新能源产业发展势头强劲。作为间歇性新能源，部分太阳能、风能需要高性能电池进行存储。而且，发展电力汽车以改善城市环境也对锂离子电池性容量和寿命提出了更高的要求。硅材料具有迄今最高的嵌锂容量，达到4200mAh/g，是现有锂电池碳负极容量的10倍，很有潜力成为未来锂电池负极的主导(Nature Nanotechnol.3，31，2008)。然而，由于充电过程中锂离子的填充，Si材料将有400％的膨胀，这将导致其储能能力在循环使用中迅速衰减，最终造成硅的粉碎及电池的失效。

近年来，人们进行过多种尝试，比如采用硅微纳米粒子、无定型硅及微米柱(J.Power Sources163，1003，2007；Adv.Mater.13，816，2001；Solid-State Lett.6，A194，A75，2003；Solid-State Lett.7，A306，2004；Prog.Chem.，23，264，2011)等结构改善其充放电循环性能，取得较大进展。

2008年，斯坦福大学的Yi Cui采用CVD生长的硅纳米线阵列制备了高性能的锂电池(Nature Nanotechnol.3，31，2008；ACS Nano，4，1443，2010；J. Pow.Sour.189(1)，34，2009)，其一维纳米结构特质使其具备更好的柔韧性，可以大大缓解锂嵌入引起的体积膨胀，硅纳米线电池负极可反复不断地循环而不受损害，电池充放电循环性能大幅提高。进一步在其表面包覆碳形成壳/核纳米结构可使其性能进一步提高。

硅基锂电池负极材料的纳米化成为近期的研究热点(Nano Lett.10，1710，2010；Nano Lett.9，3844，2009；Nano Lett.9，491，2009；Chem Commun，47，367，2010；J.Solid State Electrochem.，14，1829，2010；J.Power Sources196，6657，2011；J. Power Sources，195，8311，2010；Phys.Chem.Chem.Phys.11，11101，2009；Angew.Chem.Int.Ed.47，1645，2008；Chem.Commun.3759，2008；J.Phys.Chem.C，111，11131，2007；Scientific Reports，2，795，2012；Adv.Mater.25，449，2013)。目前基于纳米化Si基锂电池负极材料可通过CVD方法(Science，293，1289，2001；.Nature440，69，2006；Science313，1100，2006)以及金属催化化学腐蚀方法(Angew.Chem.，Int.Ed.44，2737，2005)制备。前者制备的纳米材料工艺简单，易于引入壳层结构，但其产率低，成本稍高，还可能会引入重金属。金属催化化学腐蚀方法工艺简单，无需大型设备，制备出的硅纳米结构具有廉价、掺杂浓度可控、银催化剂可以循环利用、不会产生重金属污染等优点，目前已得到国际上的广泛关注(Appl.Phys.Lett.57，1046，1990；J.Phys.Chem.C112，4444，2008；Nano Lett.9，4539，2009；Adv.Mater.19，744，2007；Adv.Funct.Mater.16，387，2006；Small1，1062，2005)。然而，到目前为止，该法多以单晶硅作为起始材料用于硅纳米结构的制备，成本较高，限制了其在锂电池实际应用。

本发明以多晶硅基材料作为起始材料，通过金属催化化学腐蚀、球磨等工艺形成纳米结构，用其作为高容量锂电池负极，制备高性能锂电池。多晶硅的价格远远低于单晶硅，其成本可大幅降低，这势必会大大促进硅基纳米结构锂电池的产业化应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种多晶硅基纳米结构锂电池的制备方法，该方法制作工艺简单，价格便宜，易于实现产业化生产与应用。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种多晶硅基纳米结构锂电池的制备方法，包括：

取一多晶硅基材料，将该多晶硅基材料制备成多晶硅基纳米材料；