一种锂离子电池负极极片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池负极极片，包括铜基体、铜锡硅复合层和碳层；铜锡硅复合层覆盖在铜基体的表面，碳层覆盖在铜锡硅复合层的表面；铜基体为铜箔，铜箔表面分布有纳米级的凹坑和纵横交错的凹槽；铜锡硅复合层的结构为：纳米硅颗粒均匀分散在铜锡合金中间并被铜锡合金包裹。本发明专利技术的方法所制备的锂离子电池负极极片，不需要粘结剂，铜基体上覆盖铜锡硅复合层，铜锡硅复合层中的硅和锡的比容量都比较高，因此具有较高的比容量；铜锡硅复合层中的铜与铜基体以金属键相连接，有效抑制和缓解锡和硅在电池充放电过程中的体积膨胀；且结合牢固，电池的循环性能好。电池的循环性能好。电池的循环性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池负极极片及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种锂离子电池负极极片及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池因电压高、能量密度大、循环寿命长、环境友好等优点，已经广泛应用于便携式电子产品和新能源汽车等领域。与此同时，人们对锂离子电池的能量密度也提出来越来越高的要求，而作为负极性物质的石墨，其理论容量仅为372mAh/g，不能满足动力电池的要求。
[0003]硅的理论比容量为4200mAh/g，比容量较高，且来源丰富，价廉易得，这使得硅成为最为热门的下一代锂离子电池负极材料之一。但是硅在电池的充放电循环过程中体积膨胀严重，会导致电池性能迅速衰减，且硅的导电性差。锡的比容量也较高，为994mAh/g，导电性好，但是也存在一定的体积膨胀，进而影响电池的循环性能。
[0004]另外，目前传统的锂离子电池负极极片的制备方法是经过配料、涂布等工序完成。配料，涂布等工序，时间成本较高，而且还需要用到导电剂和粘结剂。导电剂和粘结剂不提供容量，加入的导电剂和粘结剂降低了负极极片的比容量，进而降低了电池的能量密度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的为：提供一种锂离子电池负极极片，极片中含有硅和锡，且其制作过程不加导电剂和粘结剂，比容量高，活性物质与集流体结合性好，循环性能好。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种锂离子电池负极极片，包括铜基体、铜锡硅复合层和碳层；所述铜锡硅复合层覆盖在所述铜基体的表面，所述碳层覆盖在所述铜锡硅复合层的表面；所述铜基体为铜箔，所述铜箔表面分布有纳米级的凹坑和纵横交错的凹槽；所述铜锡硅复合层的结构为：纳米硅颗粒均匀分散在铜锡合金中间并被铜锡合金包裹。
[0007]本专利技术的锂离子电池负极极片在铜基体上覆盖铜锡硅复合层，铜锡硅复合层中的硅和锡的比容量都比较高，从而可以提升负极极片的比容量。在铜锡硅复合层中，铜和锡以合金形式沉积在具有纳米级凹坑和纵横交错的凹槽的铜箔表面，纳米级的凹坑和纵横交错的凹槽为铜锡合金的沉积提供了具有较大接触面积的粗糙表面，增加了铜锡硅复合层与铜基体的结合力；铜锡合金中的铜与铜基体以金属键相连接，并在铜锡硅复合层中起到了支撑骨架的作用；锡以合金形式与铜穿插交错在一起，铜可以有效抑制和缓解锡在电池充放电循环过程中的体积膨胀；均匀分散在铜锡合金中间的纳米硅颗粒被铜锡合金包裹，有利于改善硅的电子导电性，同时，合金中的铜也有效约束了在电池充放电循环过程中硅的体积膨胀。覆盖在铜锡复合层表面的碳层具有良好的导电性，并且还进一步增加了电池负极极片的导电性，进一步缓解和抑制了锡和硅在电池充放电过程中的体积膨胀。
[0008]本专利技术的锂离子电池负极极片中不含任何粘结剂，既降低了成本，也提升了容量，
使所制电池的能量密度得到提升，改善了电池的循环充放电过程中电极易粉化和剥离的现象，提升了电池的循环性能。
[0009]本专利技术的铜基体可以为无孔铜箔，也可以为多孔铜箔。
[0010]优选地，所述凹槽的宽度为50
‑
2000nm、深度为20
‑
1000nm。铜基体表面的纵横交错的凹槽为铜锡硅复合层与铜基体的结合提供了粗糙的接触面，也为铜锡合金的沉积提供了赖以嵌入的不规则的空间；当凹槽的宽度为50
‑
2000nm、深度为20
‑
1000nm时，有利于铜锡硅复合层中少量小颗粒的纳米硅颗粒的嵌入，纳米硅颗粒的嵌入使负极极片整体组成更加均匀，电池在充放电过程中性能更加稳定；同时，在这些不规则的纵横交错的空间中嵌入的铜锡合金使得铜基体与铜锡硅复合层的结合更为紧密。
[0011]优选地，所述凹坑的直径为50
‑
3000nm，深度为20
‑
1000nm。凹坑分布在具有纵横交错的凹槽的铜箔表面，为铜锡硅复合层与铜基体的结合提供了三维的结合空间；直径为50
‑
3000nm，深度为20
‑
1000nm的凹坑有利于纳米硅颗粒的嵌入，纳米硅颗粒嵌入凹坑中使形成的电池负极极片中硅的分布更中均匀，在电池的充放电过程中容量可以得到更好的发挥，并且使铜基体与铜锡硅复合层的结合最为牢固，硅和锡的膨胀得到更好的抑制。
[0012]优选地，所述铜锡硅复合层的厚度为0.6
‑
5μm；所述铜锡硅复合层中各物质的质量含量为：硅1
‑
20%，锡18
‑
70%，余量为铜。使用上述铜锡硅复合层的厚度和硅、锡含量，可以得到比容量高且膨胀较小的负极极片。
[0013]优选地，所述碳层厚度为10nm
‑
3um。10nm
‑
3um的碳层厚度可较好地抑制铜锡硅复合层的膨胀，并能增加锂离子电池负极极片的导电性。
[0014]优选地，所述纳米硅颗粒的粒径D
50
为50
‑
500nm。D
50
为50
‑
500nm的纳米硅包裹在铜锡合金中，硅的体积膨胀可以得到有效抑制，并且也不会因为过大的硅颗粒体积影响负极极片整体的电子导电性。
[0015]本专利技术还提供了上述的锂离子电池负极极片的制备方法，包括以下步骤：步骤一，在铜箔表面刻纵横交错的凹槽；步骤二，在刻有凹槽的铜箔表面制凹坑；步骤三，电沉积铜锡硅复合层：配制铜锡电镀溶液，其中铜离子0.02
‑
0.5mol/L，锡离子0.02
‑
0.5mol/L，络合剂0.05
‑
1mol/L，添加剂1
‑
20g/L；加入纳米级的硅粉，分散均匀。分散的方法可以采用超声分散，也可以同时进行搅拌。
[0016]在温度30
‑
80℃，电流密度为0.5
‑
20A/dm2条件下，用上述配制的铜锡电镀溶液在步骤二所得铜箔表面电镀铜锡合金，电镀时间为5
‑
60min；清洗并干燥铜箔；步骤四，气相沉积碳层：将所得铜箔置于旋转管式炉中，化学气相沉积碳层得锂离子电池负极极片。
[0017]在上述制备方法中，铜箔表面凹槽的刻制方法可有很多，比如，可以使用砂纸或砂轮打磨而成；凹槽的分布密度也可根据所用工具和需要进行调整，在此并没有特别的限定。
[0018]在步骤三的电沉积中，铜离子可以来自硫酸铜、硝酸铜和氯化铜中的一种或多种，锡离子可以来自氯化亚锡、硫酸亚锡、焦磷酸亚锡、乙二酸亚锡和甲基磺酸亚锡中的一种或多种。络合剂可以为焦磷酸盐、硫酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐和三乙醇胺中的一种或多种组合。添加剂为聚乙二醇、明胶、葡萄糖、三乙醇胺、苯胺和聚苯胺中的一种或者多种组合。在步骤
四的气相沉积碳层中所用的气源为碳源气体和惰性气体的混合气体，碳源气体可以为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯和丙烯中的一种或多种，惰性气体可以为氮气、氩气和氦气中的一种或多种。
[0019]优选地，步骤一中刻凹槽的方法为：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极极片，其特征在于，包括铜基体、铜锡硅复合层和碳层；所述铜锡硅复合层覆盖在所述铜基体的表面，所述碳层覆盖在所述铜锡硅复合层的表面；所述铜基体为铜箔，所述铜箔表面分布有纳米级的凹坑和纵横交错的凹槽；所述铜锡硅复合层的结构为：纳米硅颗粒均匀分散在铜锡合金中间并被铜锡合金包裹。2.如权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述凹槽的宽度为50
‑
2000nm、深度为20
‑
1000nm。3.如权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述凹坑的直径为50
‑
3000nm，深度为20
‑
1000nm。4.如权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述铜锡硅复合层的厚度为0.6
‑
5μm；所述铜锡硅复合层中各物质的质量含量为：硅1
‑
20%，锡18
‑
70%，余量为铜。5.如权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述碳层的厚度为10nm
‑
3um。6.如权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述纳米硅颗粒的粒径D
50
为50
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨书廷，张芬丽，郑延辉，贾伟晓，
申请(专利权)人：河南电池研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：