[发明专利]一种锂离子电池硅点阵结构电极

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池硅点阵结构电极。

背景技术

锂离子电池在无线电子产品的电源市场占据主导地位，并在电动汽车等领域有着越来越广泛的应用。通过集流体的导电与活性物质和电解质的反应，电池电极起着导电与形成电流回路的作用。电池电极决定着电池容量的大小，其循环寿命也直接影响电池的使用时间。

目前商用锂离子电池容量仍有待提高。传统商用锂离子电池所用阳极材料一般为石墨，其理论容量有限为372mAh/g，不能满足对锂电池大容量的需求。相比之下，硅的理论容量很高为4200mAh/g，十倍于石墨。硅用作锂离子电池的阳极材料，能极大提高电池容量，改善目前电池容量不足的状况。

硅在实现高容量的同时也伴随着很大的体积变化，体积的大幅度变化会导致电极材料的裂纹扩展、断裂，使电池容量迅速减少、寿命缩短，从而限制了硅用作锂离子电池阳极材料的广泛性。

发明内容

本发明采用的技术问题为：针对硅作为锂离子电池阳极材料时体积膨胀大而产生的问题，提供一种锂离子电池硅点阵结构电极及制备方法，采用点阵结构，利用点阵孔隙容纳体积膨胀，并且采用铜点阵结构作为支撑构架和集流体，既保证硅作为阳极材料具有的大容量又增强了电极的机械鲁棒性。

本发明采用的技术方案为：一种锂离子电池硅点阵结构电极，所述硅点阵结构电极为三维的均匀分布的硅点阵结构，所述三维的均匀分布的硅点阵结构内部以铜为支撑构架与集流体，在铜的外表面附着一层硅，硅点阵结构以单体为基本组成单元，每个单体包含四根垂直粗立柱和四根斜向细柱，在与垂直粗立柱轴线垂直的截面上，四根垂直粗立柱中心的连线组成一个正方形，且四根立柱分别占据正方形四个顶点，处于正方形对角的立柱两端各有一根细柱斜向交叉连接，各根细柱相交于中心的一点，通过改变单体的堆积层数、各层阵列数以及点阵结构的尺寸，即通过改变单体在垂直和水平方向上的排列数目及各个柱的直径、立柱与斜柱的夹角，来获得不同尺寸的电极，以满足不同尺寸与形状的使用要求。

所述锂离子电池硅点阵结构电极的材料为铜和硅，在制备过程中还要使用光刻胶。

所述硅点阵结构电极在制备过程中依次采用双光子光刻、电镀以及等离子体增强化学气相沉积方法。

所述硅点阵结构电极用于阳极材料为硅的锂离子电池。

所述硅点阵结构电极孔隙均匀，可容纳电极材料硅在嵌锂时的体积膨胀。

本发明与传统石墨电极以及普通硅电极相比的有益效果：

(1)与传统石墨电极相比，本发明的硅电极结构为自主设计，其结构与现有石墨电极不同。此电极具有很高的锂容量，应用于锂离子电池，能极大提高电池容量，改善电池性能，满足对电池大容量的需求。

(2)本发明的硅点阵电极以铜点阵结构为支撑构架，能够增强电极的屈服强度。

(3)本发明采用双光子光刻制备方法，可精确控制点阵电极的几何、特征尺寸、孔隙、表面积，能较为理想地实现设计者的预期设计。

(4)与普通硅电极相比，本发明硅点阵结构电极内部孔隙可容纳硅嵌锂后绝大部分体积膨胀，减少裂纹产生及扩展，提高锂离子电池容量的同时也可保证电池的使用寿命。

(5)本发明的硅点阵结构各处孔隙均匀，能够更好地容纳各处较为均匀的体积膨胀，从而使得各处所受载荷一致。

(6)本发明硅点阵结构电极中采用等离子体增强化学气相沉积方法，将硅沉积在铜表面，可缩短锂扩散距离，降低不均匀膨胀，改善机械稳定性。

(7)本发明硅点阵结构电极可通过改变立柱、细柱的直径，以及立柱与斜细柱间的角度等参数来调整电极的结构尺寸。

(8)本发明所用硅为无定形硅，相比于晶体硅，无定形硅由于其微结构各向同性而具有更好的机械性能，其电学性能也更为优异，能够改善电极性能。

附图说明

图1为本发明中硅点阵结构电极中单体的结构形式；

图2为所述硅点阵结构中单根垂直粗立柱或斜向细柱的截面示意图；

图3为硅点阵结构的单体在与垂直立柱轴线垂直的方向即水平方向上的扩展示意图；

图4为硅点阵结构的单体沿着垂直立柱轴线方向即竖直方向上的扩展示意图；

图5为硅点阵结构的单体在水平和竖直方向上的扩展示意图；

图6为改变结构参数后硅点阵结构的单体示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。