[发明专利]锂离子电池多孔结构Si/Cu复合电极及其制造方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池多孔结构Si/Cu复合电极及其制造方法。该复合电极包括活性物质、块体多孔Cu和集流体。其中的活性物质Si嵌入在块体多孔Cu中，块体多孔Cu与集流体冶金结合，起到“粘结剂”和“导电剂”的双重作用，既缓解活性物质Si颗粒的粉化和脱落，又提高电子传输效率，同时多孔结构增大活性物质Si与电解质的接触面积，加快嵌锂化合的反应效率。该复合电极的制造方法是：首先采用粉末冶金和扩散焊接技术，以Si、Cu、Al粉末为原材料，在Cu集流体上制备Si‑Cu‑Al前驱体合金，然后利用化学脱合金的方法脱去Si‑Cu‑Al前驱体合金中的Al元素，获得具有多孔结构的Si/Cu复合电极。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极结构及其制造方法，具体地说，涉及一种具有多孔结构的Si/Cu复合电极及其制造方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

锂离子电池(Lithium Ion Batteries，LIBs)具有高容量、无记忆效应、快速可逆充放电和高库伦效率等优点，已经广泛应用于手机、笔记本电脑以及电动汽车和储能领域。目前，锂离子电池负极材料主要集中在石墨，已经接近理论比容量372mAh/g，难以进一步满足对更高能量/密度应用的需求。锂离子电池的负极材料中，Si因为高的嵌锂能力(理论比容量达4200mAh/g)、储备丰富及对环境无污染而引起广泛关注。

然而，Si在充放电过程当中存在严重的粉化脱落以及导电性迅速衰减等问题，这些成为其作为负极材料的阻碍。Si在充放电过程中主要发生两种相的反应：

(1)单晶非晶化Li_XSi(a-Li_XSi)

(2)非晶化金属间化合物Li₁₅Si₄(i-Li₁₅Si₄)

在这种相反应中，Si的不均匀的体积膨胀(体积变化可以达到270％)产生的应力最终造成了Si的粉化以及Si从集流体上脱落并与集流体失去电接触，最终导致负极结构导电性的减弱。目前理论研究和实验结果证明通过在Si上增加石墨导电包裹层或降低Si的负载密度可以优化Si电极性能，这两种方式都会降低Si的质量装载能力，因此限制了总容量的提升和实际应用。目前，具有较好稳定性的Si电极中活性材料Si的质量装载量仅为0.1-3.5mg/cm²。例如，Li等人通过电化学刻蚀的方法合成了大尺寸的海绵体介孔Si材料，材料内部的孔隙可以很好的容纳Si的体积膨胀，并通过化学气相沉积法在材料表面覆盖了C层，然后通过添加导电剂和粘结剂，将负极材料涂覆在集流体表面，活性物质的装载量不高，约为2mg/cm²，其首次充放电库伦效率为～56％，第二次开始维持在99.4％，面积比容量仅为～1.5mAh/cm²。(Li,X.,et al.,Mesoporous silicon sponge as an anti-pulverizationstructure for high-performance lithium-ion battery anodes.Nat Commun,2014.5:p.4105.)Yi等人合成了由石墨烯层包裹的Si-C复合材料，将其涂覆在集流体表面，首次库伦效率为64％，第二次循环开始平均的库伦效率为99.51％，但活性物质Si的装载量(3.18mg/cm²)和面积比容量(3.2mAh/cm²)同样不高。(Yi,R.,et al.,Dual conductivenetwork-enabled graphene/Si–C composite anode with high areal capacity forlithium-ion batteries.Nano Energy,2014.6:p.211-218.)

因此，如何提高Si的负载量并避免Si在高负载条件下体积膨胀造成的粉化和脱落问题，是提高电极容量和性能的关键。

发明内容