CN110444733A - 锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极及其制备方法，该方法采用光还原法制备得到银修饰硅纳米复合负极。负极由粒径<200nm的纳米硅及其表面修饰的银纳米颗粒或纳米银包覆层组成，银纳米颗粒的粒径大小为5‑20nm、纳米银包覆层的厚度为10‑20nm。由于本发明方法的使用，纳米硅材料电导率和循环过程中结构稳定性都得到改善，循环及倍率性能优良，且所用硅成本低，环境友好；同时，该方法制备流程短，废水易于处理，无污染，工艺简单，可产业推广。

Description

锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极及其制备方法。
背景技术
随着智能机器人和电动汽车的快速发展，自1991年商业化的锂离子电池目前正被用于更多的供能领域。然而，不论是能量密度还是循环性能，目前的锂离子电池都需要进一步优化。锂离子电池的能量密度可以通过提高电极的比容量、扩大工作电压来实现。硅作为储量最为丰富的元素，被认为是最有应用前景的负极材料。其拥有11倍于石墨负极的理论比容量(4200mAhg-1)，低的放电电压和低的极化性能。
然而尽管硅负极拥有如此诸多优势，但是，其在完全嵌锂时(Li4.4Si)会产生300％的体积变化，导致电极分化并从集流体脱落从而丧失活性，进而表现出较差的循环及倍率性能。目前针对硅负极的工作主要集中在如何有效地控制体积变化、维持稳定地SEI膜及提升材料地离子/电子电导率。
发明内容
本发明的目的是解决现有锂离子电池商业化负极比容量低、硅负极导电性及循环稳定性差的问题，提供一种锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极及其制备方法。
为达到上述目的，本发明提出的一种锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极由粒径<200nm的纳米硅及其表面修饰的银纳米颗粒或纳米银包覆层组成，银纳米颗粒的粒径大小为5-20nm、纳米银包覆层的厚度为10-20nm。
为达到上述目的，本发明提出的制备上述锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极的方法，包括以下步骤：
配制一定浓度的C6H5Na3O7水溶液，记为溶液A；
配制一定浓度的AgNO3水溶液，记为溶液B；
在溶液B中加入纳米硅颗粒，磁力搅拌，记为混合物C；
开通光源，向光照的混合物C中滴加一定体积的A溶液，持续搅拌及光照，一定时间后，停止搅拌及光照，过滤，清洗得到的固体，并干燥，得到光还原银修饰纳米硅负极。
优选地，纳米硅颗粒包括粒径小于200nm的高纯硅或太阳能电池板除去EVA层后纳米化得到的复合物。
优选地，光还原的光源包括紫外光、太阳光或红外可见光。
优选地，当光还原的光源为紫外光时，波长为365nm，功率为8mW。
在本发明中，光还原得到的单质银以纳米颗粒负载在纳米硅颗粒表面或者以纳米银层包覆于纳米硅颗粒表面，纳米银颗粒的的粒径大小为5-20nm、纳米银包覆层的厚度为10-20nm。所用的纳米硅为粒径小于200nm的商业化高纯硅、或太阳能电池板除去EVA层后纳米化得到的复合物。负载在纳米硅表面的银有效提升了硅的电子电导率，促进电化学反应进行。表面银层能够稳定电极/电解液界面膜，降低活性硅的消耗，得到的复合负极比容量高、循环及倍率性能优良；同时，该方法制备流程短，废水易于处理，无污染，工艺简单，可产业推广。
附图说明
图1为光还原银修饰纳米硅颗粒扫描电镜图及元素Mapping、EDX图谱；
图2为光还原银修饰纳米硅负极在电压区间0.01-1V、电流密度0.1C下前三圈的电压-比容量曲线；
图3为光还原银修饰纳米硅负极在电压区间0.01-1V、1C电流密度下循环性能。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例，对本发明作进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例。
实施例1
(1)配制0.5mM的C6H5Na3O7水溶液100mL，避光保存，记为溶液A；
(2)配制0.5mM的AgNO3水溶液100mL，避光保存，记为溶液B；
(3)称取0.1g纳米硅粉，加入到30mL的溶液B中，搅拌，得到混合物C；接通紫外光源，设置功率为8mW，向混合物C中滴加2mL溶液A，持续搅拌、光照4小时，得到混合物D；
(4)停止光照，将D过滤，用清水或酒精洗涤三次，干燥，得到光还原银修饰纳米硅负极。
光还原银修饰纳米硅负极的电化学性能由LAND电池测试系统确定，以光还原银修饰纳米硅负极为工作电极，金属锂片为对电极和参比电极，组装成纽扣电池。
图1显示光还原银修饰纳米硅颗粒扫描电镜图及元素Mapping、EDX图谱，可以看到Ag在硅纳米颗粒表面均匀分布，所占质量分数为0.9％左右。氧的存在是由于纳米硅具有较高的表面能，在与空气接触时会发生表面氧化。
图2显示了光还原银修饰纳米硅负极在电压区间0.01-1V、电流密度0.1C下前三圈的电压-比容量曲线，可以看到硅负极具有倾斜的嵌锂/脱锂平台，且平台稳定。
图3为光还原银修饰纳米硅负极的循环性能。其首次放电比容量达到1232.2mAhg-1，首次充电比容量达到761.2mAhg-1，首次库伦效率为61.78％。在1C的电流密度下，循环95圈后，放电比容量达到706.9mAhg-1，充电比容量达到700.9mAhg-1，库伦效率为99.16％。相比首次充电比容量，循环100圈后的容量保持率达到92.1％。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极，其特征在于，所述负极由粒径<200nm的纳米硅及其表面修饰的银纳米颗粒或纳米银包覆层组成，银纳米颗粒的粒径大小为5-20nm、纳米银包覆层的厚度为10-20nm。
2.一种制备如权利要求1所述的锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
配制一定浓度的C6H5Na3O7水溶液，记为溶液A；
配制一定浓度的AgNO3水溶液，记为溶液B；
在溶液B中加入纳米硅颗粒，磁力搅拌，记为混合物C；
开通光源，向光照的混合物C中滴加一定体积的A溶液，持续搅拌及光照，一定时间后，停止搅拌及光照，过滤，清洗得到的固体，并干燥，得到光还原银修饰纳米硅负极。
3.根据权利要求2所述的制备锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极的方法，其特征在于，纳米硅颗粒包括粒径小于200nm的高纯硅或太阳能电池板除去EVA层后纳米化得到的复合物。
4.根据权利要求2所述的制备锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极的方法，其特征在于，光还原的光源包括紫外光、太阳光或红外可见光。
5.根据权利要求4所述的制备锂离子电池光还原银修饰纳米硅负极的方法，其特征在于，当光还原的光源为紫外光时，波长为365nm，功率为8mW。
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