[发明专利]一种用于锂电池的Si/C层状结构负极活性材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂电池的负极材料的制备技术领域，提供了一种用于锂电池的Si/C层状结构负极活性材料及制备方法。

背景技术

锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极，用 MnO₂、 SOCl₂等材料为正极。后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，便是锂离子电池。锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反，由于其优异的电性能和安全无公害等特点，发展极快，深受各国重视。

锂离子电池负极材料是锂离子电池的重要组成部分，负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响，负极材料的发展促使锂离子电池进入商业化阶段，最初的锂电池采用的是金属锂为负极材料，但金属锂在充放电时容易产生锂枝晶而导致起火或爆炸等安全性问题，接着开发的锂合金材料在嵌锂和脱锂时容易发生体积膨胀，导致循环性能下降。经过进一步的研究和比较，石墨化的碳（C基材料）成为常用锂离子电池的商业化负极材料。

锂离子电池负极材料方面，石墨类碳材料（C基材料）虽然应用广泛，但其存在着电极电位低、锂离子传输率低和比容量低等缺点，制约了锂离子电池的进一步发展，因此，研究人员开始致力于开发新型的适应实际需求的高功率、高容量的锂离子负极材料。硅是半导体材料，作为锂离子电池负极材料，其具有高的理论比容量，低的脱嵌锂电位，以及与电解液反应活性低等优点而受到了广泛关注。

硅在地球上储量丰富，成本相对较低，对环境无污染。硅和锂形成合金材料是一种非常有发展前景的负极材料。目前硅负极的研究基本上是围绕缓冲硅材料的体积变化和提高其电导率等方面进行的，包括纳米硅、硅基薄膜、硅－金属复合材料、硅－碳复合材料等方面。国内外在硅基负极材料研究取得了一定进展。其中Ding等人发明了一种用于锂离子电池负极的硅基材料及其制备方法：通过化学气相沉积方法在纳米硅表面生长一层及几层的石墨烯，从而形成硅-石墨烯的复合物；表面经金属薄膜包覆的纳米硅颗粒可以作催化剂，制备纳米硅基的碳纳米管/石墨烯的分层纳米结构，形成分步催化合成的机制；将硅-石墨烯、硅-碳管/石墨烯制备的溶胶-凝胶混合溶液，直接涂在金属泡沫上，形成不同的活性材料的载量。另外，Sun等人发明了一种锂离子电池负极材料，由壳核两部分构成，此核包括第一碳材料，此壳包括第二碳材料，第一碳材料为碳材料A和/或表面嵌有纳米硅的碳材料A，第二碳材料为含有纳米氧化亚硅的碳材料B，碳材料总量占所述负极材料质量的10％-99％。综上可知，Si基负极带来高克容量的同时，其低的电导率和电子迁移率、循环寿命短等缺点是阻碍Si基负极应用的巨大障碍，而且，因此对于硅基负极的电导率、电子迁移率的研究具有重要的意义。

发明内容

针对现有锂电池硅负极存在电导率和电子迁移率低、循环寿命短等缺点,本发明提出一种用于锂电池的Si/C层状结构负极活性材料，以片层状单晶Si为基底在高温下复合B掺杂石墨层，使用CH4、B2H6气态原料进行化学气相沉积形成薄膜层状结构，降低内阻，提高电子迁移率，从而提升电池充放电性能。通过Si/C复合掺入B系杂质以提高其电导率，在锂脱嵌过程中通过掺入的B与Li结合抑制Li晶枝的生长，延长循环寿命。

本发明可以解决C基锂离子电池负极材料电极电位低、锂离子传输率低和比容量低等缺点，同时可以解决Si基负极带来高克容量的同时，其低的电导率和电子迁移率、循环寿命短等缺点。

本发明涉及的具体技术方案如下：

一种用于锂电池的Si/C层状结构负极活性材料的制备方法，其特征是:将片状单晶硅与石墨、粘接剂及导电剂混合后，在铜箔集流体上涂覆并干燥后得到的复合极片作为基底，在完全隔绝空气的条件下，以甲烷和乙硼烷为原料进行化学气相沉积反应，在基底上形成薄膜层；反复涂覆、沉积后，再经三级压辊压实，烘干后即得Si/C层状结构负极活性材料；具体制备步骤如下：

（1）用去离子水对片状单晶硅及石墨粉末进行水洗，然后用稀盐酸进行酸洗，再水洗至中性；然后将片状单晶硅与石墨、粘接剂、导电剂按一定的质量比例混合，配合适量的去离子水得到预制浆料，备用；

（2）将步骤（1）制备的预制浆料，涂覆于铜箔集流体上，升高温度进行干燥，一定时间后得到复合极片；