[发明专利]一种锂离子电池负极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极及其制备方法和应用。本发明采用磁控溅射的方法，可以使非晶硅和碳均匀生长在铜箔负载的氧化铜基底上，同时可以使得到的硅和碳呈现非晶结构，长度为3～15μm，直径为20～500nm，尺寸均匀；所述锂离子电池负极材料中，非晶硅和非晶碳直接生长在氧化铜纳米线上，与铜箔基底接触良好，无需额外的粘接剂和导电添加剂，简化了电池制备的工艺流程。制备得到的锂离子电池负极材料具有较高的比容量和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，由于锂离子电池具有比容量高、循环寿命长、容量密度高及绿色环保等优点而被广泛应用于便携式数码电子设备以及动力汽车等行业中。然而传统的锂离子电池技术在能量密度以及比容量方面正在达到它的极限。为了提高锂离子电池的容量，人们一直在寻找更高容量的电极材料。硅材料由于其较高的理论比容量(3579mAh/g)和较低的工作电压(0.5Vvs.Li/Li⁺)被视为下一代锂离子电池最有前景的电池负极材料之一。然而硅在充放电过程中有高达400％的体积变化，巨大的机械应变导致材料粉化，活性物质与集流体之间接触变差、以致于其循环性能较差。并且硅的导电性差，Li⁺迁移速率也较慢。

大量研究证明，通过改变活性物质的纳米结构可以缓解上述问题。纳米线结构由于其几何形状，具有Li⁺扩散长度短和电子传输速度快的优点。纳米线之间的空隙提供了材料体积变化的空间，提高了容量保持能力[ZHOU G,XU L,HU G,et al.Nanowires forElectrochemical Energy Storage[J].Chemical Reviews,2019,119(20):11042-109.]。

在各种硅负极材料的制备方法中，最常见的为镁热还原法、自牺牲模板法。镁热法是将主要成分为二氧化硅的原材料研磨之后与镁混合，一般在大于600℃的高温状态下氧化硅被还原为硅。自牺牲模板法则是将TEOS加入乙醇和氨水中形成乳液，经过煅烧后生成纳米二氧化硅颗粒。相比之下，镁热还原法操作简单易行，对设备和技术等要求不高。但是制备出产物的粒径分布较宽且需要酸洗、容易引入杂质。而自牺牲模板法则可以制备出粒径分布较为均匀的产品。但上述两种方法制备出的产品都需高温煅烧使其转化为目标产物。两种方法制备出的纳米粉末可用作锂离子电池负极材料，但粉末材料在电极制备过程中需要与粘结剂、导电添加剂等混合，这些助剂的分布情况在一定程度上影响了电池的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极及其制备方法和应用。所述锂离子电池负极不需要额外的助剂，能够表现出较高的比容量和优异的循环稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种锂离子电池负极的制备方法，包括以下步骤：

以负载有氧化铜纳米线的铜箔为基底，所述负载有氧化铜纳米线的一侧为基底的上表面；

采用磁控溅射，在所述基底的上表面溅射非晶硅，得到所述锂离子电池负极；或采用磁控溅射，在所述基底的上表面依次溅射非晶硅和碳，得到所述锂离子电池负极。

优选的，所述溅射非晶硅的条件为：背底真空度为3×10^-4Pa～6×10^-4Pa，溅射压强为0.5～3Pa，射频功率为50～100W，溅射时间为5～80min；工作气体为氩气，所述工作气体的流量为20～60sccm。

优选的，所述溅射碳的条件为：背底真空度为3×10^-4Pa～6×10^-4Pa，溅射压强为0.5～3Pa，射频功率为100～300W，溅射时间为20～80min；工作气体为氩气，所述工作气体的流量为60～100sccm。