[发明专利]基于锂的电池负极的嵌入硅化镍纳米丝中的硅纳米丝结构

说明书

本发明涉及基于锂的电池负极的嵌入硅化镍纳米丝中的硅纳米丝结构。本发明提供了用于基于锂的电池负极及包含其的负极的嵌入硅化镍纳米丝中的硅纳米丝结构。特别地，根据本发明的嵌入NiSi_x纳米丝中的Si纳米丝结构，通过将所述Si纳米丝柔性地嵌入所述NiSi_x纳米丝中，能够为以下问题提供解决方法，比如，在电池使用过程中，当Si纳米丝通过与Li合金化而膨胀或者收缩时出现的Si纳米丝从集电器上断开的情况，以及类似情况。

技术领域

本发明涉及用于基于锂(Li)的电池负极的嵌入硅化镍(NiSi_x)纳米丝中的硅(Si)纳米丝结构。特别地，本发明提供了嵌入NiSi_x纳米丝中的Si纳米丝结构，以及包含所述Si纳米丝的负极。因此，一些技术上的困难，例如，在电池使用过程中，当Si纳米丝通过与锂(Li)合金化膨胀或收缩时出现的Si纳米丝从集电器上断开的情况，以及类似问题，有可能通过将Si纳米丝柔性地嵌入NiSi_x纳米丝中和嵌入到包含所述Si纳米丝的负极上而得以解决。

背景技术

高性能和大容量的电池具有不断增长的需求，以作为便携式电子设备，电动车辆等的电源。

这种电池通过利用能够在正电极(正极)和负电极(负极)发生电化学反应的材料来产生电能。高性能电池的典型例子可以包括锂二次电池，它是基于当锂离子在正极和负极中插入或去插入时化学势的改变而产生电能。

这种锂二次电池可以过采用有机电解溶液来提供高能量密度，并且与仅使用碱性水溶液的电池相比具有两倍或者更高的放电电压。锂二次电池可以过采用能够将锂离子可逆地插入/去插入转化的材料作为正极和负极活性材料，并且在正极和负极之间填充有机电解质溶液或者聚合物电解质溶液而制造。

虽然对于电池的研究和开发已经持续了约20年，但是锂二次电池在能量容量方面存在限制，因为使用在正极中的氧化物或磷酸盐材料的组合以及在负极中的石墨。

因此，为了应用这种锂二次电池，尤其是应用到电动车辆上，具有高锂存储能力的电极材料是正极和负极都需要的。硅(Si)可以拥有最高的锂合金化能力，例如，约3800mAh/g，这比石墨的锂合金化能力高约10倍。因此，Si可以是最合适的负极材料。然而，当Li与Si合金化时，在作为基质材料的Si中可能会出现较大的体积变化，并且可能会导致基于硅的负极的破裂和迅速粉碎。就这点而言，几十年来，通过引入Si纳米结构，特别是纳米丝，得到了负极的使用寿命和充放电速率的显著改善。由于Si纳米结构的较高的表面与体积比率，这种纳米结构可能比其他结构更加耐受由其表面效应引起的应力，还可以较强地抗开裂。

相关技术，提供了合成用于基于Li的电池负极的Si纳米丝的方法，例如，生长方法和蚀刻方法。

生长方法实例，其可在化学气相沉积(CVD)反应器中完成，可以是非常大规模的技术。同时，这种蚀刻方法可以通过对大块的晶体Si，如Si晶片和硅粉，进行蚀刻来获得硅纳米丝。

在该生长方法中，可以使Si纳米丝直接生长在负极的集电器上。在使用被蚀刻的Si纳米丝时，该Si纳米丝可以包含在粘合剂中，例如聚合物粘合剂，其包含浆料和导电添加剂，比如基于碳的粉末。所述浆料在应用之前通常会通过流延成型沉积在电池电极的集电器上并且在烘箱中干燥，因此从浆料中去除溶剂。

然而，相关技术中已经报道了一些在Si纳米丝生长期间的技术问题。

比如，通过使用粘合剂和导电粉末来稀释活性材料，表明给定负极物质中只有一部分会有助于Li储存。同样的问题也会出现在基于石墨的负极上。与石墨理论容量372mAh/g相比，通过淤浆方法制造的商用负极只能提供最高275到300mAh/g。