硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池以及电器技术

本发明专利技术公开了硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池以及电器。涉及电池电极材料制备技术领域。硅基负极材料的制备方法，包括：将冷喷涂得到表面负载Si

【技术实现步骤摘要】
硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池以及电器


[0001]本专利技术涉及电池电极材料制备
，具体而言，涉及硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池以及电器。

技术介绍

[0002]随着环境问题和能源问题的日益突出，开发新的清洁能源来代替旧的能源已经迫在眉睫。新能源的开发利用必须要有相应的储能设备，才能将其很好地应用到各个行业。而锂离子电池则被认为是当前最有应用前景的储能设备之一。锂离子电池具有比能量高、安全性能高、工作温度范围宽和储存寿命长等优点，不仅已经广泛应用于各种小型移动设备，并且也十分适宜于作为电动汽车的电源和大型电力储备用电源。特别是新能源汽车的开发，需要锂离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命等有进一步的提高。这很大程度上取决于锂离子电池的电极材料，而电极材料的容量则直接影响着电池的比能量。
[0003]目前商业化应用的锂离子电池负极材料主要是石墨，但是石墨材料的理论比容量低(约372mAh/g)，无法满足高能锂离子电池的应用需求。因而，开发新型的锂离子电池负极材料来替代石墨负极已经刻不容缓。硅基合金中Li
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Si5具有最大的储锂量，理论比容量高达4200mAh/g。与石墨相比，硅具有适中的嵌/脱锂电位(约0.4V)、较好的安全性，是一种非常有前景的锂离子电池负极材料。然而，硅负极材料的缺点也相当明显，例如：(1)硅负极材料在锂离子嵌入脱嵌过程中，会产生剧烈的体积膨胀(100％～300％)，巨大的体积效应易破坏材料结构，导致其可逆性较差。(2)固态电解质界面(SEI)膜在硅负极的新表面上不断生长/粉碎，消耗大量锂离子，导致不可逆容量较大，最终造成初始库伦效率降低。(3)硅的电导率不高导致电极快速退化，也相应的限制了其发展。因此克服硅材料的体积效应和增强其电导率成为本领域的研究热点，目前为止，主要通过将硅纳米化或复合化来削弱硅的体积膨胀。
[0004]锂离子电池的电极制造过程包括将浆料涂覆到金属集流体上，其中浆料包含活性材料、导电剂和粘结剂的混合物。然而，由于电极材料和制造工艺的不完善，柔性电池等器件在柔性电子器件中的应用受到了限制。传统锂离子电池电极想要应用柔性强的电池，需要解决各种问题。第一个问题是电极材料与集流体之间的界面仅由粘结剂颗粒形成点接触，因此附着力较弱。附着力较弱的电极由于弯曲/折曲状态下的变形和反复充放电过程中的体积膨胀，会在界面处产生裂纹和分层，从而导致电容损失和性能下降。粘结剂(约占电极总重量的5
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10％)不具有电化学活性，而且不能储存锂离子，从而降低了总重量。此外，粘结剂的加入，导致电极内阻增加和电化学性能下降。不可逆容量随着电极材料粘结剂含量的增加而增加。电极浆料与集流体之间的附着性等这些问题，一直是开发完全灵活柔性的锂离子电池的主要制约因素。因此，一种既能保证高附着性，又能补偿因粘结剂而造成的容量损失的新工艺，将使灵活柔性电极制造成为可能。在此，我们描述了一种利用超音速动力喷涂技术制备无添加剂硅基材料电极的新方法，并成功地证明了其与柔性锂离子电池的结合。由于超音速动力学喷涂给粒子带来了高能量，并能够直接涂层并表现出自愈合效果。由
于该方法在不使用任何粘结剂的情况下增加了粘结能量，这种新型电极制备工艺将促进柔性锂离子电池的发展，具有广阔的应用前景。
[0005]由于硅粉导电性较差和循环时体积变化较大，为了提高作为锂离子二次电池负极的硅粉的导电性和循环稳定性，采用超音速动力喷涂技术将硅粉和铜粉充分混合后以高温高压的氮气为载体，通过缩放喷嘴加速，使喷涂颗粒速度达到300～1200m/s，在固态下高速撞击基体表面，主要依靠大的塑性变形而形成涂层。但是，由于硅是半导体材料，自身的特性是又脆又硬，塑性变形能力不如金属，所以沉积率也不如金属。如果将硅铜混合粉体沉积在基底上，因为沉积层表面的裸露硅粉在铜基质上的沉积效果不理想，因此需要对硅粒子和铜粒子相界面处进行表面改性，以防止由于硅粒子在循环过程中发生了严重的体积变化，导致活性硅从铜支撑基质表面脱落，长期循环性能仍然不理想。
[0006]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池以及电器。
[0008]本专利技术是这样实现的：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种硅基负极材料的制备方法，包括：
[0010]将冷喷涂得到表面负载Si
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Cu涂层的初级负极材料置于500～800℃、惰性气体气氛下的管式炉中退火，保温7～9h。
[0011]在可选的实施方式中，退火之前还包括：
[0012]在基底表面采用硅铜混合粉料进行冷喷涂得到得到表面负载Si
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Cu涂层的初级负极材料。
[0013]在可选的实施方式中，基底为铜箔。
[0014]在可选的实施方式中，铜箔厚度为0.04～0.08mm。
[0015]在可选的实施方式中，硅铜混合粉料中硅和铜的质量之比为4～9:6～1。
[0016]在可选的实施方式中，基底选取的铜箔厚度大致范围为0.04～0.08mm。
[0017]在可选的实施方式中，冷喷涂时设定设备工艺参数如下：气体压力3～4MPa、气体流速2～4ml/min、气体温度为600～800℃。
[0018]在可选的实施方式中，冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为20～40cm。
[0019]在可选的实施方式中，冷喷涂时扫描速率为150～200mm/s，送粉量为200～300g/min，喷嘴在铜箔基底表面来回各扫描一次得到Si
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Cu涂层的初级负极材料。
[0020]在可选的实施方式中，硅铜混合粉料是由铜粉和硅粉混合得到，铜粉粒径小于15μm，硅粉的粒径小于或等于5μm。
[0021]第二方面，本专利技术实施例提供一种硅基负极材料，采用本专利技术实施例提供的制备方法制备得到。
[0022]第三方面，本专利技术实施例提供一种锂离子电池，采用本专利技术实施例提供的硅基负极材料作为负极。
[0023]第四方面，本专利技术实施例提供一种电器，以本专利技术实施例提供的锂离子电池作为电源。
[0024]专利技术具有以下有益效果：
[0025]由于在铜箔上经过冷喷涂得到Si
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Cu涂层的初级负极材料后，再通过适合温度及保温时间退火处理得到的Si
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Cu3Si
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Cu复合材料作为锂离子电池的负极材料具有良好的循环稳定性能和可逆容量。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0027]图1为冷喷涂的技术原理图；
[0028]图2为实施例1制得的负极材料的实物图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，包括：将冷喷涂得到表面负载Si
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Cu涂层的初级负极材料置于500～800℃、惰性气体气氛下退火，保温7～9h。2.根据权利要求1所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，退火之前还包括：在基底表面采用硅铜混合粉料进行冷喷涂得到表面负载Si
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Cu涂层的初级负极材料；优选地，所述基底为铜箔；更优选地，所述铜箔厚度为0.04～0.08mm。3.根据权利要求2所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，硅铜混合粉料中硅和铜的质量之比为4～9:6～1。4.根据权利要求2所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，冷喷涂时设定设备工艺参数如下：气体压力3～4MPa、气体流速2～4ml/min、气体温度为600～...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢迎春，赵仕杰，马扬洲，黄仁忠，曾良，王高民，张科杰，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：