[发明专利]硅-铜复合材料、制备方法及在锂离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种硅‑铜复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。具体以铜片为基板，进行抛光打磨，直至粗糙度为0.05；提供平均粒径为40～60μm的硅颗粒；采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒，喷涂时，冷喷涂加粉器的出粉量保持在5g/min，出粉压力2～2.5MPa，出粉温度380～420℃；冷喷涂加粉器枪口与基板保持30mm，利用机械手，将铜片迅速放入喷涂仓，喷涂2道次，即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅‑铜复合材料。本发明选择硅材料，运用成本低廉的冷喷涂技术进行制备，相比传统方法，操作更为简单，且提供的复合材料性能优良，能够广泛用于锂离子电池生产。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，特别涉及一种硅-铜复合材料、制备方法及在锂离子电池中的应用。

背景技术

能源和资源短缺、核污染、全球气候变暖等严峻的环境问题，促使绿色发展能量生产、储存、转换成为当今节能社会共同关注的焦点，大力发展高效储能设备成为全世界科学家当前无法回避的重大研究课题。在诸如燃料电池、太阳能电池、锂离子电池、电化学电容器等储能设备中，锂离子电池以其独特优势，成功占领着便携式电子设备市场。但若要满足未来市场需要，特别是大容量、大功率的需求和开拓新的市场，必须进一步增大锂离子电池的能量密度和功率密度，大幅度提高其性能。

增大电极比电容是提高锂离子电池性能，同时减小电池体积、降低重量和成本的有效方法之一。研究表明，增大目前商用化的锂离子电池正电极的电容相对较难，而负电极所采用的石墨类碳材料，由于新技术的应用其电容现已达到极限，接近LiC₆相的理论最大值(372mAh/g)。若需进一步提高锂离子电池负电极的比电容，只有寻求新的电极替代材料、改变反应机理，其中，研究最多的是合金电极和置换电极。前者利用可储锂金属与锂的合金化和去合金化反应；后者则是经过渡金属氧化物或金属氢化物与锂发生置换，形成分散在氧化锂或氢化锂中的金属。

在各种新型负电极材料中，硅因丰富的储量、较低的电压平台和最高的理论电容(4200mAh/g)而成为最具潜力和吸引力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而硅负电极并未广泛应用。这是由于其在嵌脱锂过程中材料体积变化高达400％，而碳类材料的体积变化只有0.2％。巨大的体积效应所产生的机械应力，使得活性材料粉化，与集流体间失去电接触，引起电极电容急剧衰减和电池性能下降。如何提高锂离子电池充放电循环中荷电保持能力是硅基电极亟待解决的问题之一。

虽利用新型粘接剂、正电极材料等，也可改善电池循环性能。但目前更多的研究集中于突破硅基活性材料本身的电化学性质。其中纳米化是一种有效的举措，如纳米粒子、纳米管、纳米薄膜等硅电极。最近又提出了在不锈钢集流体上无需粘结剂直接生长硅纳米线作为硅电极。硅纳米线径向上可有效减小体积效应，且轴向为电子提供了通道，从而加快了锂离子传输，提高了循环性能。但是硅纳米线制备有很多技术困难，如线体与集流体结合强度和纳米线长度的控制，而且生产周期长、制造成本高，不利于其实用化生产。

突破硅基活性材料本身性质的另一措施是复合化，采用高能球磨法、机械混合法、热解法等，将导电性好、体积效应小的活性或非活性缓冲基体引入活性相硅中，制备成包裹型、嵌入型、分散性、多重负载型等不同结构的复合多相硅基负极材料。采用两步化学气相沉积法制备的如图1所示的多孔复合硅相材料，克服了常规硅基复合材料只能在一定程度上减小硅的体积效应和改善循环性能的限制。另外，材料中的树枝状的碳骨架为锂离子提供了自由畅通的传输通道，而且内部无序多孔结构为硅颗粒的体积膨胀提供了空间，从而有效地减小嵌锂过程中的体积效应。因此，该复合材料表现出很高的容量、优异的循环和倍率性能。在1/20C倍率下，具有1950mAh/g的可逆容量，约为目前锂电池的5倍，并在1C下稳定循环100次不衰减。然而化学气相沉积成本高、工艺复杂、过程难以控制、很难得到均匀一致的产品而不利于规模化生产。因此开发一种工艺简单、成本低廉的制备方法制备性能优异的复合材料，是开发新型硅基电极的又一挑战。

发明内容