SiNWs-rGO制造方法、SiNWs-rGO锂离子电池电极制造方法技术

本发明专利技术提出一种Si NWs

【技术实现步骤摘要】
Si NWs-rGO制造方法、Si NWs-rGO锂离子电池电极制造方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种Si NWs-rGO的制备方法、Si NWs-rGO锂离子电池电极制造方法及由该方法制造的Si NWs-rGO锂离子电池电极，以及包含该电极的锂离子电池。

技术介绍

[0002]Si纳米线(Si NWs)是一种具有良好应用前景的材料，由于其具有比表面积大、一维线状结构、半导体特性以及光电性能良好等特点，被大量应用与传感、能源等领域。其中，锂离子电池是Si NWs应用较为普遍的领域之一，大量研究发现，以Si纳米线作为电池负极材料具有比容量大、循环稳定性高等特点。例如Cui等在研究中表明，以Si纳米线用作负极活性材料，电池具有良好的循环稳定性，恒流充放电100圈后容量剩余1000mAh/g，保持率大于90％。[非专利文献1：H.Wu,Y.Cui,Nano Today,7(2012)414-429]由此说明，Si NWs在锂离子电池领域具有良好的应用前景。
[0003]然而，由于Si NWs具有半导体特性，其导电性较差，致使电极的比容量和首次库伦效率(ICE)降低。因此诸多学者针对Si NWs的导电性优化工艺展开大量研究。Ren等人提出一种Si NWs-rGO结构，首先将石墨烯氧化，通过溶剂热还原法制备rGO-Ag基底，然后使用化学气相沉积法(CVD法)在其表面制备Si NWs；研究结果表明，还原氧化石墨烯(rGO)包覆的Si NWs结构中，由于还原氧化石墨烯具有良好的延展性和导电性，可以缓解Si NWs的体积膨胀效应，同时形成完整的导电网络，使电池具有比容量高、循环性能稳定等特点；电池ICE为78％，循环100圈后容量剩余2230mAh/g，保持率为91.8％。[非专利文献3：J.G.Ren,C.D.Wang,Q.H.Wu,X.Liu,Y.Yang,L.F.He,W.J.Zhang,Nanoscale 6(2014)3353-3360]由此可知，通过改善Si NWs的导电性可以提高电池的电化学性能。此外，rGO具有良好的延展性和导电性，可以同时提高Si NWs电极的导电性和结构稳定性，是改善电极结构和性能的理想材料。然而，目前针对Si NWs-rGO结构的研究相对较少，Si NWs的导电性通常由非晶碳包覆或贵金属修饰等方式改善，其包覆层延展性、导电性均低于rGO，且工艺复杂，成本高，不利于实际应用。
[0004]由此，本领域需要进一步研究Si NWs-rGO结构，并且提出一种工艺简单、成本低、效率高的制造工艺制备Si NWs-rGO以及锂离子电池Si NWs-rGO电极。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种制备高性能Si NWs-rGO锂离子电池电极的方法，该方法具有工艺简单、成本低、效率高等优势。
[0006]根据本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种制造Si NWs-rGO的方法，包括以下步骤：
[0007]步骤101，使用激光对Al-Si合金进行表面重熔处理；
[0008]步骤102，分离所述Al-Si合金表面的重熔层，使用腐蚀液将所述重熔层脱Al；
[0009]步骤103，对脱Al处理后的重熔层进行研磨，获得Si纳米线；
[0010]步骤104，使用热处理工艺制备Si NWs-rGO。
[0011]优选地，在所述步骤101之前，还包括：
[0012]步骤100，在表面重熔处理之前，对所述Al-Si合金进行预处理；
[0013]所述预处理方式包括打磨、酸洗或碱洗中的至少一种；
[0014]所述酸洗使用的溶液为盐酸、硫酸、硝酸中的任一种；
[0015]所述碱洗使用的溶液为氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的任一种，溶液浓度为1-20mol/L，预处理时间为0.1-2小时。
[0016]优选地，所述Al-Si合金中Si元素含量为4wt.％-30wt.％。
[0017]优选地，所述步骤101中表面重熔处理的激光线能量为60-1200J/mm，激光光斑直径为0.3-3mm，扫描间隔为1-3mm或无搭接，倾斜角为5-20
°
。
[0018]优选地，所述步骤102中分离所述重熔层的方式为线切割，所述腐蚀液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的任一种，溶液浓度为1-20mol/L，腐蚀时间为0.5-12小时。
[0019]优选地，所述步骤104中的热处理工艺包括混合PVP、Si NWs和GO，其中Si与PVP质量比为1-5；Si与GO质量比为0.2-5，热处理温度为700-900℃，加热时间为1-4小时，加热速率为1-10℃/min。
[0020]所述Si NWs-rGO中Si含量为20-80wt.％。
[0021]根据本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种制造Si NWs-rGO锂离子电池电极的方法，包括以下步骤：
[0022]步骤201，使用激光对Al-Si合金进行表面重熔处理；
[0023]步骤202，分离所述Al-Si合金表面的重熔层，使用腐蚀液将所述重熔层脱Al；
[0024]步骤203，对脱Al处理后的重熔层进行研磨，获得Si纳米线；
[0025]步骤204，通过热处理工艺制备Si NWs-rGO。
[0026]步骤205，将所述Si NWs-rGO与导电剂、粘结剂混合，涂覆在铜箔表面，制成Si NWs-rGO电极。
[0027]优选地，在所述步骤205中，所述导电剂为Super P，所述粘结剂由CMC与PAA以质量比为0.2-5制备而成；将所述Si NWs-rGO与导电剂、粘结剂混合后，所述Si NWs-rGO占比为60-95wt.％。
[0028]优选地，所述Si NWs-rGO锂离子电池电极中的Si NWs-rGO尺寸为50-200nm，所述Si NWs-rGO互相连接，相邻Si NWs-rGO间隔为2-300nm；
[0029]根据本专利技术的第三方面，本专利技术提供了一种锂离子电池包括一个或多个电极，所述电极中的至少一个使用本专利技术第二方面中任一项的一种Si NWs-rGO锂离子电池电极的制造方法制造。
[0030]通过以上技术方案，本专利技术能够取得以下技术效果。
[0031]1)使用激光表面重熔-脱合金-热处理复合工艺制备Si NWs-rGO，工艺具有柔性高、效率快、成本低等优点。
[0032]2)纳米线互相连接，相邻纳米线之间存在间隔，有利于缓解体积膨胀。
[0033]3)使用延展性和导电性良好的rGO包覆Si NWs，能同时保证电极的高导电性和结
构稳定性，使电极具有良好的电化学性能。
附图说明
[0034]图1是本专利技术使用激光表面重熔-脱合金-热处理复合工艺制备Si NWs-rGO过程示意图。
[0035]图2是本专利技术的锂离子电池Si NWs-rGO电极结构示意图。
[0036]图3是实施例1的Si NWs本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Si NWs-rGO的制造方法，包括以下步骤：步骤101，使用激光对Al-Si合金进行表面重熔处理；步骤102，分离所述Al-Si合金表面的重熔层，使用腐蚀液将所述重熔层脱Al；步骤103，对脱Al处理后的重熔层进行研磨，获得Si纳米线；步骤104，使用热处理工艺制造SiNWs-rGO。2.根据权利要求1所述的一种Si NWs-rGO的制造方法，其特征在于，还包括：步骤100，在表面重熔处理之前，对所述Al-Si合金进行预处理；所述预处理方式包括打磨、酸洗或碱洗中的至少一种；所述酸洗使用的溶液为盐酸、硫酸、硝酸中的任一种；所述碱洗使用的溶液为氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的任一种，溶液浓度为1-20mol/L，预处理时间为0.1-2小时。3.根据权利要求1所述的一种Si NWs-rGO的制造方法，其特征在于，所述Al-Si合金中Si元素含量为4wt.％-30wt.％。4.根据权利要求1所述的一种Si NWs-rGO的制造方法，其特征在于，所述步骤101中表面重熔处理的激光线能量为60-1200J/mm，激光光斑直径为0.3-3mm，扫描间隔为1-3mm或无搭接，倾斜角为5-20
°
。5.根据权利要求1所述的一种Si NWs-rGO的制造方法，其特征在于，所述步骤102中分离所述重熔层的方式为线切割，所述腐蚀液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的任一种，溶液浓度为1-20mol/L，腐蚀时间为0.5-12小时。6.根据权利要求1所述的一种Si NWs-rGO的制造方法，其特征在于，所述步骤104中的热处理工...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄婷，曹利，肖荣诗，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：