[发明专利]一种纳米多孔铜-硅负极片及其制备方法

说明书

一种纳米多孔铜‑硅负极片及其制备方法，该纳米多孔铜‑硅负极片包括：集流体基体，所述集流体基体上具有若干纳米微孔，所述纳米微孔内沉积有硅。制备时，将铜合金箔进行预处理，去除铜合金箔中的非铜成分，得到具有若干纳米微孔的纳米多孔铜集流体；将纳米微孔铜集流体以化学气相沉积的方法进行硅沉积，得到纳米多孔铜‑硅负极片。本发明方法的纳米多孔铜‑硅负极片，可以提升电池的能量密度得到了提升，而且提高了循环性能，充电前后负极片的厚度膨胀也得到了改善。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池的负极片及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长及环境友好等特点，已广泛应用于各种消费类电子产品及电动交通工具中，并在大型储能领域显示出良好的应用前景。目前锂离子电池的负极材料多为石墨，石墨的理论比容量有限，使得锂离子电池能量密度的提高面临瓶颈。

硅负极具有非常高的理论比容量(4200mAh/g)，如应用于锂电池负极将有利于提高电池的能量密度。但硅基材料在锂离子嵌入脱出的过程中会发生巨大的体积变化，会导致电池循环过程中硅颗粒破裂、粉化，并从集流体上脱落，而且巨大的体积变化会使硅颗粒表面的SEI膜不断破裂和重新生成，大量消耗电解液中的锂离子，最终导致电池容量迅速衰减，循环性能差，严重限制了硅负极的商业化应用。

为了解决硅负极循环过程中存在的体积变化的问题，传统思路是将硅颗粒纳米化，并在纳米硅粒子表面包覆保护层。经过包覆处理得到的硅材料根据保护层的不同主要可以分为两大类：一类是包覆碳材料的纳米Si/C复合材料，另一类是包覆非晶态二氧化硅后所得的Si/SiO₂复合材料(也称为氧化亚硅材料)。通过包覆保护层可以在一定程度上改善硅颗粒体积变化带来的颗粒粉化的问题，从而改善电池的循环性能，但同时也带来了新的问题——包覆的碳材料和非晶态二氧化硅会大大降低材料整体的比容量，还会导致材料首次充放电效率显著降低。这些新的问题很大程度上抵消了利用硅基负极材料的高比容量特性制备电池以提升能量密度的作用。

采用具有多孔结构的金属箔作为集流体基体，利用多孔金属集流体的孔结构来限制硅的体积变化是解决硅负极循环过程中存在的体积变化问题的另一种解决思路。如专利号为201210127121.3号的中国发明专利公开的硅基负极的制备方法，在多孔集流体上采用磁控溅射法将单质硅或单质硅与金属M共溅射于集流体上，然后在真空或惰性气氛下热处理。申请号为201611028305.9的中国发明专利申请公开了一种硅基负极的制备方法，在多孔金属、表面粗化处理的金属网或表面粗糙化处理的金属箔上，采用物理气相沉积的方法在集流体表面沉积硅-金属合金活性物质，然后再用物理气相沉积一层碳材料保护层。以上专利中使用的多孔金属集流体为常规的泡沫铜、泡沫镍、铜网等，其上的孔径为微米级，由于微米级的孔尺寸过大，无法很好的限制硅的体积变化，因此实际效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高比容量、高首次效率及循环性能优异的纳米多孔铜-硅负极片及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种纳米多孔铜-硅负极片，包括：集流体基体，所述集流体基体上具有若干纳米微孔，所述纳米微孔内沉积有硅。

进一步的，所述纳米微孔的孔径为5nm～1000nm。

进一步的，所述集流体基体的厚度为5μm～100μm。

进一步的，所述集流体基体为二元铜合金箔或三元铜合金箔经去除非铜成分的预处理后制得。

进一步的，所述集流体基体为铜铝合金箔、铜锰合金箔、铜镍合金箔、铜钛合金箔、铜锆合金箔、铜镁合金箔、铜锌合金箔、铜锡合金箔、铜锌铝合金箔、铜铝镍合金箔、铜铝锡合金箔中的一种经去除非铜成分的预处理后制得。

进一步的，所述集流体基体中铜的质量百分比为10～90％。