CN101684548A - 一种无定形纳米硅线的制备方法及其在锂电池负极上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子二次电池技术领域，具体为无定形纳米硅线的的制备方法及在锂电池负极上的应用。将不锈钢箔置于真空炉中，真空炉抽真空至1Torr以下，加热至500±20℃；待温度稳定后充入硅烷气体，硅烷流量控制在2－10sccm，真空炉内气压控制在5－20Torr；待预设气压达到后开始计时，反应时间20－30分钟，时间到后停止加热，待真空炉内温度冷却；即得到无定形纳米硅线。本发明所使用的方法成本低，工艺简单，节省人力物力。所得到的无定形硅纳米线作为锂电池负极具有容量高，寿命长，安全性能好等优点。
Description
技术领域
本发明属于锂离子二次电池技术领域，具体为无定形纳米硅线的的制备方法及在锂电池负极上的应用。
背景技术
传统的锂电池负极材料由非常薄的碳原子层(石墨)组成，而储存一个锂离子需要六个碳原子，石墨的储锂容量只能达到～300mAh/g。随着大功率锂电池在电力汽车上的推广，寻找容量更高，更安全的电极材料成为锂电池行业的首要任务。硅作为一种新的锂电池负极材料，其储锂容量将近石墨的10倍，达到～3000mAh/g，原因在于在硅跟锂离子反应中，一个硅原子就能储存四个锂离子。传统石墨负极的放电平台只比金属锂高10-20个毫伏特，经过多次锂离子嵌入和脱嵌，锂离子容易在碳负极聚集形成金属锂晶枝，这些晶枝可能会刺穿只有几十个微米厚度的高分子绝缘隔膜形成短路，进而造成燃烧甚至爆炸等安全隐患。硅作为负极材料其放电平台比金属锂平均高约200毫伏，锂离子无法在这个较高的电位下在负极形成金属锂晶枝造，所以硅作为负极材料比石墨的安全性能也要优越。
但是，当研究人员用普通硅制粉成锂电池电池负极时，重复的锂离子嵌入和脱嵌入会造成硅颗粒反复的膨胀和收缩，进而会粉碎硅硅颗粒，还会破坏硅粉颗粒与底层金属基底的联系，减弱其循环寿命。所以尽管有大量针对硅负极材料的研究与开发，硅负极材料在锂电池行业中一直没有真正得到应用。目前使用具有纳米结构的硅作为负极材料是锂电池电极材料研究的一个新热点，人们希望纳米硅能够缓解锂离子嵌入和脱嵌入造成的巨大应力。日本一个研究组在铜箔上制造出具有纳米柱形状的的硅负极，用来做锂电池负极取得了良好的效果。但是他们所使用的工艺非常复杂，不适合于大规模工业生产。美国斯坦福大学一研究组使用黄金做催化剂，在金属表面得到大量晶态纳米硅线，用于锂电池负极上也取得了良好的效果，但是由于合成成本昂贵，也不适合工业生产。象本发明所使用非黄金催化，以低廉成本在金属箔片表面得到大量无定形纳米硅线的工艺，国内外都没有过专利报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在不锈钢箔片表面生长大量无定形纳米硅线的的方法及其在锂电池负极上的用途。经过作为锂电池负极的性能测试，具有容量大，寿命长，以及安全性好等优点，为硅在锂电池负极上的应用提供了一种新的方法。
为达到上述目的，本发明的无定形纳米硅线的的制备方法包括以下内容：
将不锈钢箔置于真空炉中，真空炉抽真空至1Torr以下，加热至500±20℃；待温度稳定后充入硅烷气体，硅烷流量控制在2-10sccm，真空炉内气压控制在5-20Torr；待预设气压达到后开始计时，反应时间20-30分钟，时间到后停止加热，待真空炉内温度冷却；即得到无定形纳米硅线。
上述的制备方法中，不锈钢箔经丙酮预清洗；
上述的制备方法中，真空炉为管状真空炉；
上述的制备方法中，真空炉抽真空的过程如下：将经丙酮预清洗过的不锈钢箔置于管状真空炉中，开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入高纯度氩气至300Torr，再抽真空；重复三次，以此用氩气冲刷掉真空炉中的剩余氧气。
上述的制备方法中，用冷却水路或散热扇加速真空炉冷却。
上述的制备方法中，待真空炉内温度冷却后，开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入空气至300Torr，再抽真空；重复2次，除去残余硅烷气体，然后冲入空气至大气压，打开真空炉取出样品，即得到无定形纳米硅线。
将按照上述制备方法制备的表面生长有大量无定形硅纳米线的不锈钢箔片放入滚间间隙为40μm滚压机进行滚压用来提高压实密度。
本发明所使用的方法成本低，工艺简单，节省人力物力。所得到的无定形硅纳米线作为锂电池负极具有容量高，寿命长，安全性能好等优点。
附图说明
图1生长在不锈钢箔片上的无定形纳米硅线的扫描电镜图片
图2硅纳米线的透射电镜图片，其中(A)同轴硅纳米线的透射电镜图片；(B)同轴纳米线的高倍扫面电镜图片
图3无定形纳米硅线的储锂容量随着循环次数的变化曲线图
图4无定形硅纳米线在不同倍率下相对于锂的充放电电位
图1是生长在不锈钢箔片上的无定形纳米硅线的扫描电镜图片，从图1中可以看出所得到的硅纳米线为同轴电缆型纳米线，核心部分为晶体硅，占有绝大部分的外围部分为无定形态硅。
图2是硅纳米线的透射电镜图片，(A)为同轴硅纳米线的透射电镜图片，其中插入小图为晶体核心的电子衍射图像(B)为同轴纳米线的高倍扫面电镜图片，中间部分可见硅原子的晶格结构，外围部分为无定形态，所以不存在晶格结构，插入小图为方框部分的进一步放大。
图3是无定形纳米硅线的储锂容量随着循环次数的变化曲线图，从图3中可以看出中我们可以看到，在1C放电倍率下，经过2000个充放电循环，纳米硅线的还保有最初容量的83％，约1900mAh/g。
图4是无定形硅纳米线在不同倍率下相对于锂的充放电电位，可以看出硅的充放电平台比锂高200个毫伏以上，故不会形成锂晶枝，进而拥有良好的安全性能。在大倍率放电情况下，没发现因为锂晶枝刺穿隔膜造成短路或起火现象。
具体实施方式
实施例1
按照以下工艺流程进行操作
1.将一片经丙酮清洗过的，面积约10cm2的304号不锈钢箔置于管状真空炉中，开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入高纯度氩气至300Torr，再抽真空；重复三次，以此用氩气冲刷掉真空炉中的剩余氧气。
2.真空炉在真空状态(气压＜1Torr)加热至500℃，待温度稳定后充入20％硅烷-氩气混合气体，流量用流量计控制在4sccm，炉内气压用气压控制仪控制在5Torr。
3.待预设气压达到后开始计时，反应时间精确控制为20分钟，时间到后停止加热，用散热扇等加速冷却。
4.开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入空气至300Torr，再抽真空；重复2次，除去残余硅烷气体，然后冲入空气至大气压，打开真空炉取出样品。
5.把表面生长有大量无定形硅纳米线的不锈钢箔片放入滚间间隙为40μm滚压机进行滚压用来提高压实密度。
对所制成的无定形纳米硅线负极进行锂电池性能测试。把所得到硅纳米线极片和锂箔片对立电极组成袋状封装锂电池。
所得到的无定新硅纳米线的形态，产量以及电池测试结果如下表所示
表1 不同处理组无定形纳米硅线的形态，产量及性能
实施例2
按照以下工艺流程进行操作
6.将一片经丙酮清洗过的，面积约25cm2的304号不锈钢箔置于管状真空炉中，开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入高纯度氩气至300Torr，再抽真空；重复三次，以此用氩气冲刷掉真空炉中的剩余氧气。
7.真空炉在真空状态(气压＜1Torr)加热至500℃，待温度稳定后充入20％硅烷-氩气混合气体，流量用流量计控制在6sccm，炉内气压用气压控制仪控制在10Torr。
8.待预设气压达到后开始计时，反应时间精确控制为25分钟，时间到后停止加热，用散热扇等加速冷却。
9.开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入空气至300Torr，再抽真空；重复2次，除去残余硅烷气体，然后冲入空气至大气压，打开真空炉取出样品。
10.把表面生长有大量无定形硅纳米线的不锈钢箔片放入滚间间隙为40μm滚压机进行滚压用来提高压实密度。
11.对所制成的无定形纳米硅线负极进行锂电池性能测试。把所得到硅纳米线极片和锂箔片对立电极组成袋状封装锂电池。
所得到的无定新硅纳米线的形态，产量以及电池测试结果如下表所示
表2不同处理组无定形纳米硅线的形态，产量及性能
实施例3
按照以下工艺流程进行操作
12.将一片经丙酮清洗过的，面积约50cm2的304号不锈钢箔置于管状真空炉中，开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入高纯度氩气至300Torr，再抽真空；重复三次，以此用氩气冲刷掉真空炉中的剩余氧气。
13.真空炉在真空状态(气压＜1Torr)加热至500℃，待温度稳定后充入20％硅烷-氩气混合气体，流量用流量计控制在10sccm，炉内气压用气压控制仪控制在20Torr。
14.待预设气压达到后开始计时，反应时间精确控制为30分钟，时间到后停止加热，用散热扇等加速冷却。
15.开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入空气至300Torr，再抽真空；重复2次，除去残余硅烷气体，然后冲入空气至大气压，打开真空炉取出样品。
16.把表面生长有大量无定形硅纳米线的不锈钢箔片放入滚间间隙为40μm滚压机进行滚压用来提高压实密度。
17.对所制成的无定形纳米硅线负极进行锂电池性能测试。把所得到硅纳米线极片和锂箔片对立电极组成袋状封装锂电池。
所得到的无定新硅纳米线的形态，产量以及电池测试结果如下表所示
表3不同处理组无定形纳米硅线的形态，产量及性能
以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1、一种无定形纳米硅线的的制备方法，具体为：将不锈钢箔置于真空炉中，真空炉抽真空至1Torr以下，加热至500±20℃；待温度稳定后充入硅烷气体，硅烷流量控制在2-10sccm，真空炉内气压控制在5-20Torr；待预设气压达到后开始计时，反应时间20-30分钟，时间到后停止加热，待真空炉内温度冷却；除去硅烷气体，即得到无定形纳米硅线。
2、权利要求1所述的一种无定形纳米硅线的的制备方法，其特征在于：不锈钢箔经丙酮预清洗。
3、权利要求1所述的一种无定形纳米硅线的的制备方法，其特征在于：上述的制备方法中，真空炉为管状真空炉。
4、权利要求1所述的一种无定形纳米硅线的的制备方法，其特征在于：真空炉抽真空的过程如下：将经丙酮预清洗过的不锈钢箔置于管状真空炉中，开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入高纯度氩气至300Torr，再抽真空；重复三次，以此用氩气冲刷掉真空炉中的剩余氧气。
5、权利要求1所述的一种无定形纳米硅线的的制备方法，其特征在于：用冷却水路或散热扇加速真空炉冷却。
6、权利要求1所述的一种无定形纳米硅线的的制备方法，其特征在于：除去硅烷气体的方法为：待真空炉内温度冷却后，开启真空泵阀门，抽真空至1Torr以下，然后关掉真空泵阀门，充入空气至300Torr，再抽真空；重复2次，除去残余硅烷气体，然后冲入空气至大气压，打开真空炉取出样品，即得到无定形纳米硅线。
7、将根据权利要求1所述方法制备的表面生长有大量无定形硅纳米线的不锈钢箔片放入滚间间隙为40μm滚压机进行滚压来提高压实密度。
8、根据权利要求1所述的制备方法得到的无定形纳米硅线在制备高容量和高性能的锂电池负极的应用。
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| CN111418092A (zh) * | 2017-10-31 | 2020-07-14 | 科技创新动量基金(以色列)参股有限公司 | 纳米结构复合电极 |
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2009
- 2009-03-05 CN CN200910025669A patent/CN101684548A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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