[发明专利]一种纳米多孔-致密双层保护层的锂离子电池硅负极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米多孔‑致密双层保护层的锂离子电池硅负极材料及其制备方法，属于锂离子电池硅负极材料领域，获得了具有高容量、长循环寿命的纳米多孔‑致密双层保护的锂离子电池硅负极材料。本发明在纳米硅颗粒负极上使用分子层沉积和原子层沉积技术生长纳米多孔‑致密双保护层，所制备得到的材料由内向外依次为纳米硅、纳米多孔保护层、致密保护层。

技术领域

本发明属于锂离子电池硅负极材料领域，具体涉及一种纳米多孔-致密双层保护层的锂离子电池硅负极材料及其制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池在电子设备和电动汽车等领域有广泛的应用。然而，传统的商用石墨负极材料受限于的理论容量（372 mAh/g），无法匹配大的容量存储和电力运输等需求。因此，发展高能量密度、高功率密度和长循环寿命的负极材料显得尤为迫切。纳米硅负极具有较高的理论容量，在锂离子电池负极材料中展示出巨大的应用潜力。然而硅材料循环过程中巨大的体积膨胀/粉化效应限制了它的实际应用。针对这一问题，一个有效方法是对纳米硅颗粒材料进行表面包覆修饰。

原子层沉积技术(Atomic layer deposition, ALD)是一种正在蓬勃发展中的新型薄膜材料沉积技术，具有优异的三维共形性和大面积的均匀性，简单精确的薄膜控制，特别适合复杂表面形状以及深孔洞的填隙生长。分子层沉积（Molecular Layer Deposition,MLD）作为ALD的一个亚类，在前驱体中引入有机分子，从而将ALD生长材料的范围由无机材料拓宽到有机聚合物和无机-有机杂化物。当前，ALD/MLD制备的功能薄膜及无机-有机杂化薄膜在电池、催化和光电子等领域的应用已经悄然兴起。

发明内容

本发明提供了一种纳米多孔-致密双层保护层的锂离子电池硅负极材料及其制备方法，利用ALD和MLD技术制备了一种具有高容量、长循环寿命的纳米多孔-致密双层保护层的锂离子电池硅负极材料。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种纳米多孔-致密双层保护层的锂离子电池硅负极材料，所述材料为纳米多孔-致密双保护层修饰的纳米硅颗粒，包括：纳米多孔层、致密层、纳米硅颗粒；由内向外依次为纳米硅、纳米多孔保护层、致密层。

以上所述结构中，所述纳米硅颗粒的尺寸控制在100-200纳米，所述纳米多孔层厚度控制在10纳米，所述致密层厚度在5纳米；电极活性物质硅总量1.6 mg/cm²；所述活性材料为高容量体积膨胀大（理论容量：4200 mAh g^-1、体积膨胀~400%）的硅纳米电极材料；所述纳米多孔-致密双保护层为内层纳米多孔层/外层致密氧化物层，优选zincone/TiO₂，zincone/Al₂O₃或zincone/ZnO。

一种纳米多孔-致密双层保护层的锂离子电池硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)硅电极的准备：选用100-200纳米硅颗粒、炭黑和PVDF混合制备浆料涂覆在铜箔上，烘干备用；

(2)MLD沉积无机-有机杂化物薄膜：在步骤(1)制备的纳米硅电极上沉积10纳米多孔MLD杂化物zincone薄膜；

(3)ALD沉积无机物薄膜：在步骤(2)制备的纳米多孔zincone修饰的硅电极上沉积5纳米ALD无机物薄膜，得到纳米多孔-致密双层保护层的锂离子电池硅负极材料。