[发明专利]一种锂离子电池自支撑硒化锑负极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池自支撑硒化锑负极及其制备方法，该负极包括柔性集流体和直接生长于所述集流体表面的负极材料，所述柔性集流体为柔性金属箔，所述负极材料为具有微米片或微米柱结构的硒化锑。该制备方法为：在真空腔室内，将金属箔作为衬底，将硒化锑粉末均匀撒布于金属箔下侧的基底上作为蒸发源，控制两者之间距离为10~30 mm；控制真空腔室内衬底与蒸发源的温差使硒化锑在金属箔上快速沉积，温差为290~475℃，沉积时间为150~250 s，沉积完成后快速冷却得到自支撑硒化锑负极。该负极及其制备方法工艺简单，性能好，成本低，易于实现。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池自支撑硒化锑负极及其制备方法。

背景技术

新能源车辆以及便携式电子设备在全球范围内快速发展对作为其供电设备的锂离子电池提出了更高的性能要求，研发具有更高能量密度、安全和倍率性能的电池成为了当前科研与产业界的最主要目标。通过对电池本身以及电源管理系统的优化，锂离子电池器件的能量密度在近年来获得了一定提升，但已接近当前材料体系的理论极限。其中，石墨负极以及钛酸锂负极较低的理论质量比容量（石墨：372 mAh/g，钛酸锂：175 mAh/g）是造成上述瓶颈的主要原因之一。

同时，微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、有源或半有源射频识别系统、物联网等领域的快速发展也对相应的电源系统提出了更高的要求。对于以上系统，为了提升电源效率，降低系统尺寸及噪音干扰，需要可集成在微系统中的微电池，这类微电池应具有可以与微电路器件匹配的尺寸以及与集成电路工艺兼容的制备过程。同时，可穿戴设备的发展则进一步要求电池器件具有耐弯折、小厚度、高质量比容量的特性。基于以上要求，采用薄膜沉积工艺制备自支撑薄膜电极作为一种很有吸引力的解决方案，已得到了广泛研究并且实现了一定程度的应用。

硒化锑 (Sb₂Se₃) 是一种成本较低并具有优良的物理以及电化学性质的合金材料，作为锂离子电池的负极材料时，由于其兼具转换和合金两步储锂机制，可以贡献670mAh/g的高比容量。因此，使用硒化锑作为新一代储锂负极是一种极有发展潜力的方案。近年来，研究人员针对硒化锑负极进行了大量研究，但都采用了相似的制备策略，即使用化学反应合成硒化锑材料并与碳基材料、导电剂、粘结剂混合后涂覆电极。上述策略虽然能够一定程度提升硒化锑储锂性能，但具有以下缺点：(1) 制备过程复杂且耗时长，需要长时间的合成以及多次真空干燥，难以与集成电路工艺兼容；(2) 低容量碳基材料与添加剂的引入降低了硒化锑有效含量，造成电极容量损失；(3) 不导电粘结剂增加了电极内阻，无法实现高倍率充放电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池自支撑硒化锑负极及其制备方法，该负极及其制备方法工艺简单，性能好，成本低，易于实现。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种锂离子电池自支撑硒化锑负极，包括柔性集流体和直接生长于所述集流体表面的负极材料，所述柔性集流体为柔性金属箔，所述负极材料为具有微米片或微米柱结构的硒化锑。

本发明还提供了所述锂离子电池自支撑硒化锑负极的制备方法，该方法采用快速物理气相沉积法将硒化锑直接生长于金属集流体上作为储锂负极，包括以下步骤：

(1) 对金属箔进行清洗；

(2) 将金属箔置于真空腔室内的掩膜板上，将纯度高于设定值的硒化锑粉末均匀撒布于金属箔下侧的基底上作为蒸发源，控制金属箔与硒化锑粉末之间距离为10~30 mm；

(3) 对真空腔室抽真空，直至真空度满足生长条件；

(4) 对真空腔室内加温，控制硒化锑粉末蒸发温度为540~575 ℃，金属箔温度为100~250 °C，即两者温差为290~475 ℃，使硒化锑粉末蒸发并在金属箔上快速沉积，沉积时长为150~250 s；