CN106997946B - 硅-铜复合材料、制备方法及在锂离子电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅‑铜复合材料的制备方法,属于复合材料制备技术领域。具体以铜片为基板,进行抛光打磨,直至粗糙度为0.05;提供平均粒径为40~60μm的硅颗粒;采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒,喷涂时,冷喷涂加粉器的出粉量保持在5g/min,出粉压力2~2.5MPa,出粉温度380~420℃;冷喷涂加粉器枪口与基板保持30mm,利用机械手,将铜片迅速放入喷涂仓,喷涂2道次,即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅‑铜复合材料。本发明选择硅材料,运用成本低廉的冷喷涂技术进行制备,相比传统方法,操作更为简单,且提供的复合材料性能优良,能够广泛用于锂离子电池生产。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域,特别涉及一种硅-铜复合材料、制备方法及在锂离子电池中的应用。
背景技术
能源和资源短缺、核污染、全球气候变暖等严峻的环境问题,促使绿色发展能量生产、储存、转换成为当今节能社会共同关注的焦点,大力发展高效储能设备成为全世界科学家当前无法回避的重大研究课题。在诸如燃料电池、太阳能电池、锂离子电池、电化学电容器等储能设备中,锂离子电池以其独特优势,成功占领着便携式电子设备市场。但若要满足未来市场需要,特别是大容量、大功率的需求和开拓新的市场,必须进一步增大锂离子电池的能量密度和功率密度,大幅度提高其性能。
增大电极比电容是提高锂离子电池性能,同时减小电池体积、降低重量和成本的有效方法之一。研究表明,增大目前商用化的锂离子电池正电极的电容相对较难,而负电极所采用的石墨类碳材料,由于新技术的应用其电容现已达到极限,接近LiC6相的理论最大值(372mAh/g)。若需进一步提高锂离子电池负电极的比电容,只有寻求新的电极替代材料、改变反应机理,其中,研究最多的是合金电极和置换电极。前者利用可储锂金属与锂的合金化和去合金化反应;后者则是经过渡金属氧化物或金属氢化物与锂发生置换,形成分散在氧化锂或氢化锂中的金属。
在各种新型负电极材料中,硅因丰富的储量、较低的电压平台和最高的理论电容(4200mAh/g)而成为最具潜力和吸引力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而硅负电极并未广泛应用。这是由于其在嵌脱锂过程中材料体积变化高达400%,而碳类材料的体积变化只有0.2%。巨大的体积效应所产生的机械应力,使得活性材料粉化,与集流体间失去电接触,引起电极电容急剧衰减和电池性能下降。如何提高锂离子电池充放电循环中荷电保持能力是硅基电极亟待解决的问题之一。
虽利用新型粘接剂、正电极材料等,也可改善电池循环性能。但目前更多的研究集中于突破硅基活性材料本身的电化学性质。其中纳米化是一种有效的举措,如纳米粒子、纳米管、纳米薄膜等硅电极。最近又提出了在不锈钢集流体上无需粘结剂直接生长硅纳米线作为硅电极。硅纳米线径向上可有效减小体积效应,且轴向为电子提供了通道,从而加快了锂离子传输,提高了循环性能。但是硅纳米线制备有很多技术困难,如线体与集流体结合强度和纳米线长度的控制,而且生产周期长、制造成本高,不利于其实用化生产。
突破硅基活性材料本身性质的另一措施是复合化,采用高能球磨法、机械混合法、热解法等,将导电性好、体积效应小的活性或非活性缓冲基体引入活性相硅中,制备成包裹型、嵌入型、分散性、多重负载型等不同结构的复合多相硅基负极材料。采用两步化学气相沉积法制备的如图1所示的多孔复合硅相材料,克服了常规硅基复合材料只能在一定程度上减小硅的体积效应和改善循环性能的限制。另外,材料中的树枝状的碳骨架为锂离子提供了自由畅通的传输通道,而且内部无序多孔结构为硅颗粒的体积膨胀提供了空间,从而有效地减小嵌锂过程中的体积效应。因此,该复合材料表现出很高的容量、优异的循环和倍率性能。在1/20C倍率下,具有1950mAh/g的可逆容量,约为目前锂电池的5倍,并在1C下稳定循环100次不衰减。然而化学气相沉积成本高、工艺复杂、过程难以控制、很难得到均匀一致的产品而不利于规模化生产。因此开发一种工艺简单、成本低廉的制备方法制备性能优异的复合材料,是开发新型硅基电极的又一挑战。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明选择硅材料,运用成本低廉的冷喷涂技术制备可用于锂离子电池负电极的硅-铜复合材料。
具体的,本发明提供的硅-铜复合材料的具备方法,具体通过如下步骤实施:
S1:以铜片为基板,进行抛光打磨,直至粗糙度为0.05;
S2:提供平均粒径为40~60μm的硅颗粒;
S3:采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒,喷涂时,冷喷涂加粉器的出粉量保持在5g/min,出粉压力2~2.5MPa,出粉温度380~420℃;冷喷涂加粉器枪口与基板保持30mm,利用机械手,将铜片迅速放入喷涂仓,喷涂2道次,即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅-铜复合材料。
优选地,S2中,平均粒径为40~60μm的硅颗粒是通过如下方法得到的:
将纯硅片置于高能球磨机中,研磨20~30min,先用270目筛子过滤2h,再用300目筛子过滤2h,即得到所述硅颗粒。
优选地,S3中,喷涂前,需要清空冷喷涂加粉器以及喷管,具体方法是:先人工清理,再使冷喷涂机器空转30min。
优选地,S3中,出粉压力2.2MPa,出粉温度400℃。
本发明还提供了一种硅-铜复合材料,由上述任一方法制备而成。
优选地,本发明提供的硅-铜复合材料,作为硅基电极在锂离子电池中的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果具体如下:
(1)本发明选择硅材料,运用成本低廉的冷喷涂技术制备出表面形成有三维镶嵌结构的硅-铜复合材料,可作为锂离子电池的负电极,该方法省掉了传统方法(比如气相沉积)制备硅-铜复合材料时,采用电弧熔炼或高能球磨法使铜与硅形成合金硅颗粒的繁杂步骤;
(2)这种特殊的镶嵌结构还能有效地克服由于热应力作用而导致的硅-铜复合材料大片分离、甚至脱落等问题;
(3)这种特殊的镶嵌结构借鉴扩展表面强化传热原理,对锂离子和电子传输进行强化;
(4)此外,微肋结构的存在还能强化充放电过程中锂离子在嵌入和脱嵌表面的吸附、分解和扩散作用,并为电子传输提供通道。
附图说明
图1现有技术中采用两步化学气相沉积法制备的多孔复合硅相材料的结构式;
图2为本发明实施例1提供的硅-铜复合材料的SEM电镜扫描图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施,下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但所举实施例不作为对本发明的限定。
当实施例给出数值范围时,应理解,除非本发明另有说明,每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义,本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外,根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载,还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
冷喷涂是近年来发展的一种将金属、合金或复合粉末材料沉积在各种基底上形成涂层的新技术,被越来越多地用于各种工业领域。冷喷涂过程中,粉末粒子由流经缩放喷管的超音速气流加速,以高速(300-1200m/s)撞击基板产生剧烈塑性变形沉积而形成涂层。相对热喷涂和等离子喷涂技术,冷喷涂的低温沉积具有如无相变、蒸发、基底融化和再结晶等。更重要的是较以上喷涂技术更为安全可靠,粉末还可再循环利用从而降低整个材料的成本。
为此,本发明选择粒径为50μm的硅材料,运用成本低廉的冷喷涂技术制备可作为锂离子电池负电极的硅-铜复合材料,具体的,通过如下步骤实施:
S1:以铜片为基板,进行抛光打磨,直至粗糙度为0.05;
S2:提供平均粒径为40~60μm的硅颗粒;
S3:采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒,喷涂时,冷喷涂加粉器的出粉量保持在5g/min,出粉压力2~2.5MPa,出粉温度380~420℃;冷喷涂加粉器枪口与基板保持30mm,利用机械手,将铜片迅速放入喷涂仓,喷涂2道次,即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅-铜复合材料。
上述方法利用冷喷涂方法沉积复合硅基材料,将硅颗粒以高速冲破铜基板表面的氧化层,使部分颗粒镶嵌进入基板中,由于铜具有较好的延展性,高速硅颗粒冲破铜表面并嵌入铜基板时,铜基板上铜的溅射会对硅颗粒形成裹覆作用,形成特殊的三维结构复合材料。这种镶嵌结构能有效地克服由于热应力作用而导致的硅-铜复合材料大片分离、甚至脱落等问题;还能借鉴扩展表面强化传热原理,对锂离子和电子传输进行强化;此外其微肋结构的存在还能强化充放电过程中锂离子在嵌入和脱嵌表面的吸附、分解和扩散作用,并为电子传输提供通道。因此,可作为锂离子负极材料,广泛用于制备锂离子电池。
基于该发明创造,以下就具体的示例对本发明进行具体的举例说明。
实施例1
本实施例一种硅-铜复合材料,具体通过如下步骤制备得到的:首先选取厚度为500μm的铜片作为基板,借助削磨机对铜片进行抛光打磨,直至达到粗糙度为0.05;接着将纯硅片置于高能球磨机中,研磨20min,先用270目筛子过滤2h,再用300目筛子过滤2h,得到平均粒径为50μm左右的硅颗粒。采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒,喷涂前,需要清空冷喷涂加粉器以及喷管,具体方法是:先人工清理,再使冷喷涂机器空转30min。接着,加入500g硅颗粒到冷喷涂加粉器,调试加粉器筛板刷转速,使出粉量保持在5g/min,调节空气压缩机,使压力达到2.2MPa;调节加热器,使温度达到400℃;调节喷枪,使枪口与基板保持30mm。最后利用机械手,将基板迅速放入喷涂仓,喷涂2道次,即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅-铜复合材料。
我们采用SEM电镜扫描对上述硅-铜复合材料进行表面形貌检测,其SEM电镜扫描图具体如图2所示,由图2可以看出,在基板(铜片)的表面形成了三维镶嵌结构的涂层。这种特殊的镶嵌结构能有效地克服由于热应力作用而导致的硅-铜复合材料大片分离、甚至脱落等问题;同时借鉴扩展表面强化传热原理,对锂离子和电子传输进行强化;此外,微肋结构的存在还能强化充放电过程中锂离子在嵌入和脱嵌表面的吸附、分解和扩散作用,并为电子传输提供通道,是一种性能优异的复合材料,可作为锂离子电池的负极材料来使用。
实施例2
本实施例一种硅-铜复合材料,具体通过如下步骤制备得到的:首先选取厚度为500μm的铜片作为基板,借助削磨机对铜片进行抛光打磨,直至达到粗糙度为0.05;接着将纯硅片置于高能球磨机中,研磨30min,先用270目筛子过滤2h,再用300目筛子过滤2h,得到平均粒径为50μm左右的硅颗粒。采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒,喷涂前,需要清空冷喷涂加粉器以及喷管,具体方法是:先人工清理,再使冷喷涂机器空转30min。接着,加入500g硅颗粒到冷喷涂加粉器,调试加粉器筛板刷转速,使出粉量保持在5g/min,调节空气压缩机,使压力达到2.0MPa;调节加热器,使温度达到380℃;调节喷枪,使枪口与基板保持30mm。最后利用机械手,将基板迅速放入喷涂仓,喷涂2道次,即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅-铜复合材料。
实施例3
本实施例一种硅-铜复合材料,具体通过如下步骤制备得到的:首先选取厚度为500μm的铜片作为基板,借助削磨机对铜片进行抛光打磨,直至达到粗糙度为0.05;接着将纯硅片置于高能球磨机中,研磨30min,先用270目筛子过滤2h,再用300目筛子过滤2h,得到平均粒径为50μm左右的硅颗粒。采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒,喷涂前,需要清空冷喷涂加粉器以及喷管,具体方法是:先人工清理,再使冷喷涂机器空转30min。接着,加入500g硅颗粒到冷喷涂加粉器,调试加粉器筛板刷转速,使出粉量保持在5g/min,调节空气压缩机,使压力达到2.4MPa;调节加热器,使温度达到420℃;调节喷枪,使枪口与基板保持30mm。最后利用机械手,将基板迅速放入喷涂仓,喷涂2道次,即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅-铜复合材料。
以上实施例1-3所提供的三维镶嵌结构的硅-铜复合材料可作为负极材料应用到锂离子电池中。将该复合材料作为负极材料组装锂离子电池后,在电流密度50mA/g下循环,考察电化学性能,经测试,循环过程中性能稳定,表现出优异的循环性能。此外,进一步测定发现,经过大电流的测试循环后,恢复到小电流测试,负极材料的比容量依然能够恢复到16次循环的水平,表明该材料具有较强的耐大电流冲击的能力,具有较好的倍率性能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例,其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内,本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种硅-铜复合材料的制备方法,其特征在于,具体通过如下步骤实施:
S1:以铜片为基板,进行抛光打磨,直至粗糙度为0.05;
S2:提供平均粒径为40~60μm的硅颗粒;
S3:采用冷喷涂加粉器向基板表面喷涂硅颗粒,喷涂时,冷喷涂加粉器的出粉量保持在5g/min,出粉压力2~2.5MPa,出粉温度380~420℃;冷喷涂加粉器枪口与基板保持30mm,利用机械手,将铜片迅速放入喷涂仓,喷涂2道次,即得到表面形成有三维镶嵌结构的硅-铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的硅-铜复合材料的制备方法,其特征在于,S2中,平均粒径为40~60μm的硅颗粒是通过如下方法得到的:
将纯硅片置于高能球磨机中,研磨20~30min,先用270目筛子过滤2h,再用300目筛子过滤2h,即得到所述硅颗粒。
3.根据权利要求1所述的硅-铜复合材料的制备方法,其特征在于,S3中,喷涂前,需要清空冷喷涂加粉器以及喷管,具体方法是:先人工清理,再使冷喷涂机器空转30min。
4.根据权利要求1所述的硅-铜复合材料的制备方法,其特征在于,S3中,出粉压力2.2MPa,出粉温度400℃。
5.一种硅-铜复合材料,其特征在于,由权利要求1~4任一所述方法制备而成。
6.根据权利要求5所述的硅-铜复合材料,作为硅基电极在锂离子电池中的应用。
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