CN109950511A - 具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法 - Google Patents

具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109950511A
CN109950511A CN201910302878.3A CN201910302878A CN109950511A CN 109950511 A CN109950511 A CN 109950511A CN 201910302878 A CN201910302878 A CN 201910302878A CN 109950511 A CN109950511 A CN 109950511A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
carbon
carbon fiber
cathode material
fiber collector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910302878.3A
Other languages
English (en)
Inventor
何嵩
张彬彬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiamen University
Original Assignee
Xiamen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiamen University filed Critical Xiamen University
Priority to CN201910302878.3A priority Critical patent/CN109950511A/zh
Publication of CN109950511A publication Critical patent/CN109950511A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明提供一种具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，所述硅碳负极材料是由圆柱形纤维丝交织成片状结构，所述圆柱形纤维丝具有三层结构，内层为碳纤维集流体，中间层为纳米硅，外层为碳。碳纤维由圆柱形纤维丝交织成片状结构。该片状结构作为基底，容易沉积硅碳材料，便于封装。碳纤维交织成片状结构，其内部疏松，增加硅碳材料的吸附量，提高锂电池的容量和导电性。

Description

具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池材料制造技术领域，尤其涉及一种具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着智能手机、平板电脑、电动汽车等电器产品对高比能量化学电源的需求，迫切需求高比能量的化学电源。目前使用的锂离子二次电池比能量发展空间有限，通过负极补锂的方式电池的比能量会提高很多，负极补锂能提高电池比能量的原因是电池首次充电时负极形成固体电解质界面膜(SEI膜)消耗部分的锂离子，导致首次充放电的库伦效率低，例如碳材料的首次库伦效率在90％左右，硅基材料的首次库伦效率在65％～85％。
锂离子电池常用负极材料为石墨材料，具有众多优良的性质，但是容量较低。随着锂电池技术的发展，对负极比容量，循环性能以及安全性能等都提出了更高的要求。硅负极也因其具有较高的比容量(4200mAh/g)受到了科学界的关注，但由于其在嵌锂过程中会发生严重的的膨胀，体积膨胀达300％，造成硅材料破裂，并且硅的导电性差，限制了硅负极在锂离子负极中的应用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本公开实施例旨在提供一种简单实用的硅碳负极材料的制备方法，其能针对不同的电池体系实现硅碳负极材料的制备，实现提高电池容量和负极导电性的双重效果。本公开实施例的上述目的可以通过以下技术方案实现。
本公开实施例提供一种具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，所述硅碳负极材料是由圆柱形纤维丝交织成片状结构，所述圆柱形纤维丝具有三层结构，内层为碳纤维集流体，中间层为纳米硅，外层为碳。
碳纤维由圆柱形纤维丝交织成片状结构。该片状结构作为基底，容易沉积硅碳材料，便于封装。碳纤维交织成片状结构，其内部疏松，增加硅碳材料的吸附量，提高锂电池的容量和导电性。
例如，所述负极材料为薄膜型复合结构。薄膜型复合结构有利于将负极材料制备成柔性结构。
例如，所述中间层的纳米硅掺杂有硼或磷，从而提高其导电性。
例如，所述外层的碳为石墨。
例如，所述纳米硅为颗粒结构，平均粒径不大于50nm。硅材料为纳米颗粒，由于纳米颗粒硅没有晶格限制，因而锂离子进出硅材料时不会造成硅材料破裂。
本公开实施例还提供一种制备具有碳纤维集流体的硅碳负极材料的方法，包括将纳米硅和碳依次沉积在所述碳纤维集流体上。例如，该方法包括以所述晶硅靶材为溅射源，通过磁控溅射的方式，先在所述碳纤维集流体上沉积纳米硅，再沉积碳，以在所述碳纤维集流体表面形成具有硅碳复合膜的硅碳负极材料。磁控溅射在10-2～10-5Pa的真空度和室温度下进行。磁控溅射工艺条件为：本底真空度5×10-3Pa、工艺气氛3×10-1Pa、基台温度为室温、离子源功率0.2～3W、射频磁控溅射阴极功率60W。
例如，负极材料层通过真空沉积直接将硅碳负极材料做在碳纤维集流体上，无需额外的导电胶等物质。负极可以是成卷形式或者片状。
例如，还包括将所述硅碳负极材料进行快速退火处理的步骤。例如，退火处理的温度为700℃～900℃。
本公开实施例还提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括上述的具有碳纤维集流体的硅碳负极材料。
本公开实施例的具有碳纤维集流体的硅碳负极材料无需使用导电粘接剂和铜箔作为集流体，而且碳纤维本身具有导电性能和一定容量，可以从植物中提取，成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一和实施例二的具有碳纤维集流体的硅碳负极材料的截面示意图；
图2是根据本发明实施例一的碳纤维结构的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一些具体实施方式进行描述。应当理解，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，本领域技术人员能够根据本公开的教导设想其他各种实施方案并能够对其进行修改。因此，以下的具体实施方式不具有限制性意义。
实施例1
具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，硅碳负极材料由圆柱形纤维丝交织成片状结构。图1是具有碳纤维集流体的硅碳负极材料的截面示意图。具有三层结构，内层为碳纤维集流体，中间层为纳米硅，外层为碳。如图1所示，圆柱形纤维丝1具有三层结构，内层11为碳纤维集流体，中间层12为纳米硅，外层13为碳。其中，外层13的碳为石墨；纳米硅的颗粒尺寸不大于50nm。负极材料为薄膜型复合材料。
所述碳纤维由圆柱形纤维丝交织成片状结构。该片状结构作为基底，容易沉积硅碳材料，便于封装。碳纤维交织成片状结构，其内部疏松，增加硅碳材料的吸附量，提高锂电池的容量和导电性。
制备硅碳负极材料。硅碳负极包括集流体和沉积在集流体上的纳米硅，该方法包括以所述纳米硅颗粒为蒸发源，通过磁控溅射的方式，将纳米硅沉积在集流体上。集流体为碳纤维，碳纤维交织成片状结构，其内部疏松，增加硅碳材料的吸附量，便于吸附。图2显示了碳纤维结构的扫描电镜图。
磁控溅射在10-2～10-5Pa的真空度和室温下进行。磁控溅射工艺条件为：本底真空度5x10-3Pa、工艺气氛3x10-1Pa、基台温度为室温、离子源功率0.2-3W、直流磁控溅射阴极功率60W。通过上述磁控溅射的方式，先在所述碳纤维上沉积纳米硅，再沉积碳，在碳纤维表面形成具有硅碳复合膜的硅碳负极材料。
具有碳纤维集流体的硅碳负极材料无需使用导电粘接剂和铜箔作为集流体，而且碳纤维本身具有导电性能和一定容量，可以从植物中提取，成本低廉。
实施例2
具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，硅碳负极材料由圆柱形纤维丝交织成片状结构。图1是具有碳纤维集流体的硅碳负极材料的截面示意图。具有三层结构，内层为碳纤维集流体，中间层为纳米硅，外层为碳。如图1所示，圆柱形纤维丝1具有三层结构，内层11为碳纤维集流体，中间层12为纳米硅，外层13为碳。其中，纳米硅掺杂有硼或磷；外层13的碳为石墨；纳米硅的颗粒尺寸不大于50nm。负极材料为薄膜型复合材料。
所述纳米硅材料掺杂硼或磷，以提高硅材料的导电性。纳米硅材料掺杂硼作为p型掺杂，空穴为多数载流子，以增强纳米硅材料的导电性。而磷掺杂作为n型掺杂，电子为多数载流子，以增强纳米硅材料的导电性。掺杂浓度为1×1015～1×1019/cm-3。
制备硅碳负极材料。硅碳负极包括集流体和沉积在集流体上的纳米硅，该方法包括以所述晶硅靶材，通过磁控溅射的方式，将纳米硅沉积在集流体上。集流体为碳纤维。在碳纤维集流体上同时溅镀硅和碳，硅和碳溅镀时相互掺杂，在集流体表面形成硅碳膜。
磁控溅射在10-2～10-5Pa的真空度和室温下进行。磁控溅射工艺条件为：本底真空度5×10-3Pa、工艺气氛3×10-1Pa、基台温度为室温、离子源功率0.2～3W、直流磁控溅射阴极功率60W。
负极材料层可以通过真空镀膜方式到集流体上形成涂层，干燥后获得负极材料层。其中，负极活性材料可以包括碳材料类负极活性材料和硅基负极活性材料。碳材料类负极活性材料的实例包括人造石墨、天然石墨、软碳、硬碳、中间相碳微球和石墨烯等；硅基负极活性材料的实例包括硅碳材料、氧化亚硅、氧化亚硅-碳复合材料、纳米硅、纳米硅-碳复合材料和硅合金等。
本发明中，以晶硅靶材发源，通过磁控溅射的方式，将纳米硅沉积在集流体上。在某些实施方式中，可以借助放卷和收卷装置，将成卷的负极极片(包括集流体和形成在集流体单面或双面上的负极材料层)展开通过磁控溅射装置，在其中通过磁控溅射，在负极材料层上形成复合材料膜。复合材料膜的厚度可以为100纳米～15微米，优选1～15微米。可以通过多次镀膜，形成锂复合材料的多层膜。
采用上述方法制得的硅碳负极材料进行充放电实验。NCM(镍钴锰)三元材料作为正极材料，电解液1mol/L LiPF6-EC/DMC(体积比1:1，EC：碳酸乙烯酯，DMC：碳酸二甲酯)，电解液添加剂：碳酸亚乙烯酯2wt％，双草酸硼酸锂3wt％，三硫代碳酸乙烯酯3wt％。
采用人造石墨负极材料进行充放电对比实验。NCM(镍钴锰)三元材料作为正极材料，电解液1mol/L LiPF6-EC/DMC(体积比1:1，EC：碳酸乙烯酯，DMC：碳酸二甲酯，东莞杉杉电池材料有限公司)，电解液添加剂：碳酸亚乙烯酯2wt％，双草酸硼酸锂3wt％，三硫代碳酸乙烯酯3wt％。
实施例3
制备具有碳纤维集流体的硅碳负极材料的方法，负极包括碳纤维和沉积在碳纤维上的硅材料，该方法包括以所述晶硅靶材为溅射源，通过磁控溅射的方式，先在所述碳纤维上沉积纳米硅，再沉积碳，在碳纤维表面形成具有硅碳复合膜的硅碳负极材料。将所述硅碳负极材料进行快速退火处理，退火处理的温度为700℃～900℃。硅碳负极材料由圆柱形纤维丝交织成片状结构。
通过快速退火处理可以提高碳纤维的石墨成分，控制硅颗粒的纳米尺寸以及外层碳材料的石墨成分，以调节硅碳负极材料的电容量和导电性。碳材料在700℃时开始石墨化，在900℃时完全石墨化。因此，退火处理的温度设定为700℃～900℃可以调节硅碳负极材料的导电性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，其特征在于：所述硅碳负极材料是由圆柱形纤维丝交织成片状结构，所述圆柱形纤维丝具有三层结构，内层为碳纤维集流体，中间层为纳米硅，外层为碳。
2.根据权利要求1所述具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，其特征在于：所述硅碳负极材料为薄膜型复合结构。
3.根据权利要求1所述具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，其特征在于：所述中间层的纳米硅掺杂有硼或磷。
4.根据权利要求1所述具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，其特征在于：所述外层的碳为石墨。
5.根据权利要求1所述的具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，其特征在于：所述纳米硅为颗粒结构，平均粒径不大于50nm。
6.一种制备如权利要求1～5任一项所述的具有碳纤维集流体的硅碳负极材料的方法，其特征在于：包括将纳米硅和碳依次沉积在所述碳纤维集流体上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：该方法包括以所述晶硅靶材为溅射源，通过磁控溅射的方式，先在所述碳纤维集流体上沉积纳米硅，再沉积碳，以在所述碳纤维集流体表面形成具有硅碳复合膜的硅碳负极材料。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括将所述硅碳负极材料进行快速退火处理的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述退火处理的温度为700℃～900℃。
10.锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池包括如权利要求1～5任一项所述的具有碳纤维集流体的硅碳负极材料。
CN201910302878.3A 2019-04-16 2019-04-16 具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法 Pending CN109950511A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910302878.3A CN109950511A (zh) 2019-04-16 2019-04-16 具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910302878.3A CN109950511A (zh) 2019-04-16 2019-04-16 具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109950511A true CN109950511A (zh) 2019-06-28

Family

ID=67015398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910302878.3A Pending CN109950511A (zh) 2019-04-16 2019-04-16 具有碳纤维集流体的硅碳负极材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109950511A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1765024A (zh) * 2003-03-26 2006-04-26 佳能株式会社 用于锂二次电池的电极材料和具有该电极材料的电极结构
CN102214817A (zh) * 2010-04-09 2011-10-12 清华大学 一种碳/硅/碳纳米复合结构负极材料及其制备方法
US20120229096A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 GM Global Technology Operations LLC Method of depositing silicon on carbon nanomaterials and forming an anode for use in lithium ion batteries
US20120264020A1 (en) * 2010-10-07 2012-10-18 Applied Sciences, Inc. Method of depositing silicon on carbon nanomaterials
CN103943821A (zh) * 2013-01-18 2014-07-23 苏州宝时得电动工具有限公司 负极、具有该负极的电池及负极制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1765024A (zh) * 2003-03-26 2006-04-26 佳能株式会社 用于锂二次电池的电极材料和具有该电极材料的电极结构
CN102214817A (zh) * 2010-04-09 2011-10-12 清华大学 一种碳/硅/碳纳米复合结构负极材料及其制备方法
US20120264020A1 (en) * 2010-10-07 2012-10-18 Applied Sciences, Inc. Method of depositing silicon on carbon nanomaterials
US20120229096A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 GM Global Technology Operations LLC Method of depositing silicon on carbon nanomaterials and forming an anode for use in lithium ion batteries
CN103943821A (zh) * 2013-01-18 2014-07-23 苏州宝时得电动工具有限公司 负极、具有该负极的电池及负极制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KUO-FENG CHIU 等: "Silicon thin film anodes coated onmicron carbon-fiber current collectors for lithium ion batteries", 《SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105470576B (zh) 一种高压锂电池电芯及其制备方法、锂离子电池
CN107910496A (zh) 一种二次电池用金属锂负极、制备方法及其应用
US20110163274A1 (en) Electrode composite, battery electrode formed from said composite, and lithium battery comprising such an electrode
CN114050246A (zh) 微米级多孔硫酸亚铁钠/碳复合正极材料及其制备的钠离子电池或钠电池
CN101931076B (zh) 一种硅碳复合颗粒的制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用
CN111244455A (zh) 一种锂离子电池硅碳复合负极材料复合导电剂、负极片及其制备方法
CN112002883A (zh) 一种负极活性物质用硅基复合材料及负极片和锂离子电池
US9923193B2 (en) Cathode of lithium-ion battery
CN110707288B (zh) 硅基负极活性材料及其制备方法和应用
CN108807843A (zh) 多层复合负极及其制备方法和包括其的碱金属电池
CN105118974A (zh) 一种硅基负极材料及其制备方法
CN111129428A (zh) 一种多层正极片电极结构及其制备方法、正负极电池结构
CN103413920B (zh) 一种锂离子电池用硅/取向碳纳米管复合负极材料及其制备方法
CN110323429A (zh) 五氧化二铌/还原氧化石墨烯复合负极材料的制备方法
CN107644976A (zh) 锂离子电池电极
CN102983308A (zh) 碳纳米管阵列/氧化镍纳米颗粒同轴复合负极材料及其制备方法
CN108110235B (zh) 一种中空镍-氧化镍纳米粒子/多孔碳纳米片层复合材料及其制备方法与应用
CN118248847A (zh) 金属锂可控成核生长的方法及金属锂复合材料和用途
CN114335561B (zh) 一种极性集流体及其制备方法
Chen et al. Brush-like Ni/carbon nanofibers/carbon nanotubes multi-layer network for freestanding anode in lithium ion batteries
CN103474630B (zh) 硅/取向碳纳米管纱线及其制备方法和应用
CN113903891A (zh) 一种含准金属态锂的无定形碳基复合负极材料的制备方法和应用
WO2022193188A1 (zh) 一种负极极片、电化学装置及电子装置
US20220246909A1 (en) Lithium metal anode and method for making the same
Cheng et al. Cubic CuCo2O4 microspheres with FeO nanowires link as free-standing anode for high-performance lithium ion batteries

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190628

RJ01 Rejection of invention patent application after publication