[发明专利]锂合金靶材及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种锂合金靶材及其制备方法与应用，该锂合金靶材的制备方法中，通过在靶管的外壁设置凹陷部或纹路可增加靶管表面与熔融反应液的接触面积，并使得混合液冷却收缩时的应力释放首先出现在凹处部分，从而使混合液在冷却过程中与靶管能够紧密贴合，得到品质优异的锂合金靶材。该锂合金靶材能对电极材料进行有效的补锂，从而解决锂离子电池体积膨胀的问题，并提高锂离子电池的循环使用寿命。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂合金靶材及其制备方法与应用。

背景技术

研究表明，硅作为锂离子电池的负极材料时，电池的理论比容量高达4200mAh/g，远高于商用石墨负极锂离子电池(理论比容量高达372mAh/g)，因此受到技术研究人员的广泛关注。然而，单质硅在充放电过程中伴随着巨大的体积变化(高达300％)，会导致负极的活性颗粒破碎粉化后从集流体表面脱落，从而失去电接触，同时也会加剧电极活性物质与电解液之间的副反应，最终导致电极性能急剧下降，这一问题极大地限制了硅作为锂离子电池负极材料的发展和实际应用。进一步地，研究人员发现氧化亚硅也作为电池的负极材料时，也具有较高比容量，且相较于单质硅，氧化亚硅在充放电过程中体积变化较小；然而，氧化亚硅材料的电子电导和离子电导差，极大地影响了其电化学性能的发挥，同时，与单质硅相比，虽然氧化亚硅的体积膨胀得到了缓解，但其依然存在体积变化引起应力集中、导致活性物质开裂的问题。

为解决上述存在的问题，研究人员通过在负极材料/正极材料中进行补锂，以解决电池体积膨胀的问题及提高首次效率。硅碳负极补锂工艺是在硅碳负极表面预涂一层锂金属，该涂层与负极紧密接触，在灌注电解液后与负极发生反应嵌入负极颗粒内部，预存一部分锂离子在负极内部，从而弥补首次充放电或者循环过程中由于形成或修复SEI膜所需要消耗的锂(Li)离子。

传统技术中，预补锂方法有很多，其中物理沉积(PVD)预补锂方法是常用的补锂方法，其中，真空蒸镀是通过在高度真空条件下加热金属锂，使其熔融、蒸发，冷却后在材料表面沉积形成金属薄膜的方法，然而真空蒸镀不适用沸点高的补锂材料，工艺条件太严苛。

而采用磁控溅射镀的锂金属层的附着性好，且镀膜过程中不需要加热，是非常高效的补锂方法。但是，采用磁控溅射时，补锂材料不能直接放置到PVD补锂设备中，需要首先将补锂材料结合到靶管上形成锂靶材，再将锂靶材放置在补锂设备中，对靶材溅射，给锂离子电池负极/正极材料进行补锂。然而，传统技术制备锂靶时，靶源材料混合液在冷却收缩时会因内应力而引起局部起泡、鼓包导致靶源材料无法与靶管紧密贴合等问题，从而影响锂合金靶材的品质，导致磁控溅射涂层结构不致密、不均匀，制得的锂靶材无法完全有效解决锂离子电池负极材料的体积膨胀的问题，导致锂离子电池的循环使用寿命不高。

发明内容

基于此，本发明提供了一种锂合金靶材及其制备方法与应用，其制得的锂靶材应用于锂电池，能有效解决电池体积膨胀的问题，从而提高锂电池的循环使用寿命。

本发明的技术方案如下。

本发明一方面提供了一种锂合金靶材的制备方法，包括如下步骤：

提供模具与靶管，将靶管设于模具中，靶管与模具的内壁之间形成用于成型的成型腔；靶管的外壁具有凹陷部，和/或靶管的外壁具有纹路；

将第一单质与第二单质混合，加热，得到混合液；

将上述混合液浇入上述成型腔中进行冷却，成型；

去除上述模具，得到锂合金靶材；

其中，上述第一单质为熔融锂，上述第二单质选自硼粉、硅粉和熔融硫中的任意一种。