CN116705990B - 电极材料的制备方法、电极材料及储能装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种电极材料的制备方法、电极材料和储能装置。该电极材料的制备方法包括如下步骤：在衬底上形成催化层；在衬底上沉积碳原子，基于催化层形成碳纳米管；在碳纳米管上沉积锗原子，基于碳纳米管形成位于碳纳米管的管壁上的锗膜层；以及，在锗膜层上沉积锡原子，基于锗膜层形成层叠设置于锗膜层上的锡膜层。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种电极材料的制备方法、电极材料及储能装置。
背景技术
锂离子电池是目前商用最为成功的二次电池体系，已经被广泛应用于储能电站、便携式电子设备以及电动汽车等诸多领域中。目前较为常见的锂离子电池的负极材料是石墨，石墨的理论比容量仅有372mAh/g。随着电动汽车以及便携式电子设备等产业的迅速发展，电池的比容量以及其循环稳定性等性能也面临更高的需求。
相较于传统技术中采用的石墨材料，硅和锗具有明显较高的理论比容量，例如硅材料的理论比容量能够达到4200mAh/g，锗材料的理论比容量能够达到1600mAh/g，因而也受到了广泛的关注。锗材料的嵌锂效率能够达到硅的400倍，因而有望作为具有超高充放电速率的电极活性材料。然而，锗材料作为电极活性材料仍然存在如下两个问题：一方面锗是一种半导体材料，其导电性能相对较差，另一方面锗在脱锂和嵌锂过程中存在巨大的体积变化，导致锗材料容易脱落。
发明内容
基于此，有必要提供一种电极材料的制备方法，以在提高导电性能的同事保持锗材料在充放电过程中的稳定性。
根据本公开的一些实施例，提供了一种电极材料的制备方法，其包括如下步骤：
在衬底上形成催化层；
在衬底上沉积碳原子，基于所述催化层形成碳纳米管；
在所述碳纳米管上沉积锗原子，基于所述碳纳米管形成位于所述碳纳米管的管壁上的锗膜层；以及，
在所述锗膜层上沉积锡原子，基于所述锗膜层形成层叠设置于所述锗膜层上的锡膜层。
在本公开的一些实施例中，在衬底上形成催化层的步骤包括：
在所述衬底上沉积催化材料层；
加热所述催化材料层至600℃~850℃，以使得所述催化材料层转化形成所述催化层。
在本公开的一些实施例中，在所述衬底上沉积催化材料层的步骤中，控制所述催化材料层的厚度＜5nm。
在本公开的一些实施例中，采用溅射的方式在所述碳纳米管上沉积锗原子。
在本公开的一些实施例中，采用溅射的方式在所述锗膜层上沉积锡原子。
在本公开的一些实施例中，在所述碳纳米管上沉积锗原子的步骤中，控制所述衬底的温度为400℃~600℃。
在本公开的一些实施例中，在所述锗膜层上溅射沉积锡原子的步骤中，控制所述衬底的温度为100℃~200℃。
在本公开的一些实施例中，在所述碳纳米管上沉积锗原子的步骤中，控制溅射功率为20W~80W。
在本公开的一些实施例中，在所述锗膜层上沉积锡原子的步骤中，控制溅射功率为50W~200W。
进一步地，本公开还提供了一种电极材料，其包括：
衬底；
催化层，所述催化层设置于所述衬底上；
碳纳米管，所述碳纳米管设置于所述催化层上且所述碳纳米管基于所述催化层生长；
锗膜层，所述锗膜层位于所述碳纳米管的管壁上；
锡膜层，所述锡膜层层叠设置于所述锗膜层上。
在本公开的一些实施例中，所述碳纳米管有多根，多根所述碳纳米管在所述衬底上阵列设置。
在本公开的一些实施例中，所述碳纳米管的长径比为（10~100）:1。
在本公开的一些实施例中，所述锗膜层的厚度为2nm~20nm。
在本公开的一些实施例中，所述锡膜层的厚度为1nm~10nm。
进一步地，本公开还提供了一种储能装置，其包括正极、负极和隔膜，所述正极和所述负极相对设置，所述隔膜设置于所述正极和所述负极之间，所述负极包括如上述任一实施例所述的电极材料的制备方法制备得到的电极材料，或者，所述负极包括如上述任一实施例所述的电极材料。
在本公开提供的电极材料的制备方法中，先于衬底上形成催化层，然后基于催化层形成碳纳米管，以形成自下至上延伸的、与衬底相交的碳纳米管。然后在碳纳米管上沉积形成位于管壁上的锗膜层以及层叠设置于锗膜层上的锡膜层。其中，锗膜层能够作为电极活性材料，将锗膜层设置于碳纳米管以及锡膜层之间，能够借助于碳纳米管以及锡膜层的导电性，提高锗膜层在充放电过程中的导电能力。并且，碳、锗和锡属于同族元素，在沉积过程中能够形成相似的构型，锗膜层在充放电过程中沿垂直于碳纳米管的轴向方向膨胀，这使得锗膜层结构更为稳定，保持其在充放电过程中的结构稳定性。
附图说明
图1为一种电极材料的制备方法的步骤示意图；
图2为在衬底上形成催化层的结构示意图；
图3为在图2所示结构的基础上形成碳纳米管的结构示意图；
图4为在图3所示结构的基础上制备锗膜层的结构示意图；
图5为在图4所示结构的基础上制备锡膜层的结构示意图；
其中，各附图标记及其含义如下：
100、衬底；101、隔离层；110、催化层；120、碳纳米管；130、锗膜层；140、锡膜层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合，本文所使用的“多”包括两个或两个以上的项目。
在本发明中，如果没有相反的说明，组合物中各组分的份数之和可以为100重量份。如果没有特别指出，本发明的百分数(包括重量百分数)的基准都是组合物的总重量，另，本文中的“wt%”表示质量百分数，“at%”表示原子百分数。
在本文中，除非另有说明，各个反应步骤可以按照文中顺序进行，也可以不按文中顺序进行。例如，各个反应步骤之间可以包含其他步骤，而且反应步骤之间也可以适当调换顺序。这是技术人员根据常规知识和经验可以确定的。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
本公开提供了一种电极材料的制备方法，其包括如下步骤：
在衬底上形成催化层；
在衬底上沉积碳原子，基于催化层形成碳纳米管；
在碳纳米管上沉积锗原子，基于碳纳米管形成位于碳纳米管的管壁上的锗膜层；以及，
在锗膜层上沉积锡原子，基于锗膜层形成层叠设置于锗膜层上的锡膜层。
在本公开提供的电极材料的制备方法中，先于衬底上形成催化层，然后基于催化层形成碳纳米管，以形成自下至上延伸的、与衬底相交的碳纳米管。然后在碳纳米管上沉积形成位于管壁上的锗膜层以及层叠设置于锗膜层上的锡膜层。其中，锗膜层能够作为电极活性材料，将锗膜层设置于碳纳米管以及锡膜层之间，能够借助于碳纳米管以及锡膜层的导电性，提高锗膜层在充放电过程中的导电能力。并且，碳、锗和锡属于同族元素，在沉积过程中能够形成相似的构型，锗膜层在充放电过程中沿垂直于碳纳米管的轴向方向膨胀，这使得锗膜层结构更为稳定，保持其在充放电过程中的结构稳定性。
图1为本公开中的一种电极材料的制备方法的步骤示意图。参照图1所示，该电极材料的制备方法包括步骤S1~步骤S4。
步骤S1，在衬底100上形成催化层110。
图2为在衬底100上形成催化层110的结构示意图。参照图2所示，催化层110设置于电极材料上。
在该实施例的一些示例中，衬底100的材料可以包括金属材料。例如，衬底100的材料可以选自铜、铝、银和金中的一种或多种。可以理解，衬底100可以作为该电极材料的集流体，并且该电极材料可以直接于该集流体上制备形成。
在该实施例的一些示例中，在形成催化层110之前，还可以包括在衬底100上制备隔离层101的步骤。其中，隔离层101用于将后续制备的催化层110与衬底100之间进行隔离，以提供更合适催化层110与碳纳米管120生长的基材。在该实施例的一些示例中，隔离层101的厚度可以≤10nm。进一步地，隔离层101的厚度可以≤5nm。
在该实施例的一些示例中，隔离层101的材料可以包括硅。
可以理解，在该实施例中，催化层110的材料应当包括能够催化碳原子形成碳纳米管120的材料。在该实施例的一些示例中，催化层110的材料可以包括金属材料。例如，催化层110的材料可以选自铁、钴和镍中的一种或多种。
在该实施例的一些示例中，催化层110可以包括多个间隔设置的岛状的催化部。其中，岛状的催化部指的是：各催化部均设置于衬底100上，且各催化部之间相间隔设置，以使得各催化部形成孤岛状。采用多个岛状的催化部作为催化层110，碳原子基于岛状的催化部形成碳纳米管120，该碳纳米管120自催化部开始向上自组装，从而形成使得碳纳米管120的延伸方向与衬底100相交。
在该实施例的一些示例中，在衬底100上形成催化层110的步骤包括：在衬底100上沉积催化材料层，加热催化材料层至600℃~850℃，以使得催化材料层转化形成催化层110。其中，加热催化材料层至600℃~850℃的目的在于，使得催化材料层的原子扩散并重新分布，以使得溅射形成的膜层分裂为多个间隔设置的岛状的催化部。进一步地，可以控制加热催化材料层时的温度为600℃、650℃、700℃、750℃、800℃或850℃。或者，加热催化材料层时的温度也可以在上述任意两温度之间的范围内。
在该实施例的一些示例中，在该实施例的一些示例中，在衬底100上沉积催化材料层的步骤中，控制催化材料层的厚度＜5nm。控制催化材料层的厚度＜5nm，能够尽可能地降低每个催化部的直径，从而能够减小后续制备的碳纳米管120的直径并增大碳纳米管120之间的间距，以便于在碳纳米管120的管壁上制备锗膜层130和锡膜层140。进一步地，在衬底100上沉积催化材料层的步骤中，可以控制催化材料层的厚度为1nm~5nm。例如，可以控制催化材料层的厚度为1nm、2nm、3nm、4nm或5nm。或者，催化材料层的厚度也可以在上述任意两厚度之间的范围内。
在该实施例的一些示例中，在衬底100上沉积催化材料层的方式可以是物理气相沉积法。例如，在衬底100上沉积催化材料层的方式可以是溅射法。
步骤S2，在衬底100上沉积碳原子，基于催化层110形成碳纳米管120。
图3为在图2所示结构的基础上形成碳纳米管120的结构示意图。参照图3所示，碳纳米管120设置于催化层110上且碳纳米管120基于催化层110生长。可以理解，碳纳米管120是一种由碳原子组成的直径在纳米级范围的空心管状材料。沿着碳纳米管120的延伸方向，碳纳米管120具有出色的机械强度和导电性能。
参照图3所示，在该实施例的一些示例中，碳纳米管120可以基于催化层110自下至上生长，因而，碳纳米管120的延伸方向可以与衬底100相交。进一步地，碳纳米管120的延伸方向可以垂直于衬底100。
参照图3所示，在该实施例的一些示例中，碳纳米管120可以有多个，多个碳纳米管120可以在衬底100上呈阵列设置。
在该实施例的一些示例中，在衬底100上沉积碳原子的方式可以是物理气相沉积法或化学气相沉积法。例如，在衬底100上沉积碳原子的方式可以是化学气相沉积法，在采用化学气相沉积法形成碳纳米管120的步骤中，可以采用碳氢化合物作为碳源，使碳氢化合物受热裂解以产生碳原子，碳原子基于催化层110进行生长，能够形成碳纳米管120。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120可以是单壁碳纳米管。单壁碳纳米管具有较好的导电性能和较高的长径比，从而能够有效增强电极材料的放电性能。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120的长径比可以是（10~100）:1。通过控制碳纳米管120的长径比为（10~100）:1，能够在保证后续制备的锗膜层130较为稳定的同时提高锗材料的负载量。进一步地，碳纳米管120的长径比可以是10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、80:1或100:1。或者，碳纳米管120的长径比可以在上述任意两长径比之间的范围内。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120的直径可以是1nm~10nm。例如，碳纳米管120的直径可以是1nm、2nm、3nm、5nm、6nm、8nm或10nm，或者，碳纳米管120的直径可以在上述任意两直径之间的范围内。可以理解，碳纳米管120的直径可以通过控制所用催化层110中的催化部的尺寸及材料进行控制。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120的长度可以是10nm~1000nm。例如，碳纳米管120的长度可以是10nm、100nm、200nm、300nm、500nm、700nm、800nm或1000nm。或者，碳纳米管120的长度也可以在上述任意两长度之间的范围内。
步骤S3，在碳纳米管120上沉积锗原子，基于碳纳米管120形成位于碳纳米管120的管壁上的锗膜层130。
图4为在图3所示结构的基础上制备锗膜层130的结构示意图。参照图4所示，锗膜层130设置于碳纳米管120的管壁上。进一步地，锗膜层130可以包覆碳纳米管120的管壁。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锗原子的方式可以是化学气相沉积法或物理气相沉积法。例如，可以采用锗金属靶，通过溅射的方式在碳纳米管120上沉积锗原子。由于锗和碳属于同族元素，沉积的锗原子能够以碳纳米管120的晶格形状作为基底进行生长，获得和碳纳米管120相似的构型，这能够显著增强锗膜层130和碳纳米管120之间的附着能力。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锗原子的步骤中，可以控制衬底100的温度为400℃~600℃。例如，可以控制衬底100的温度为400℃、450℃、500℃、550℃或600℃，或者，还可以控制衬底100的温度在上述任意两温度之间的范围内。控制衬底100的温度较高，有助于增加锗原子的扩散能力，使得锗原子在沉积时能够形成晶格较好的锗膜层130。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锗原子的步骤中，可以控制溅射功率为20W~80W。例如，可以控制溅射功率为20W、30W、40W、50W、60W、70W或80W。或者，也可以控制溅射功率在上述任意两溅射功率之间的范围内。碳纳米管120的密度可能较高，控制溅射功率较低，有助于控制溅射速率相对较低，从而提高锗原子在沉积时与碳纳米管120之间的晶格的匹配程度，进而提高锗原子与碳纳米管120之间的附着强度。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锗原子的步骤中，可以控制锗膜层130的厚度为2nm~20nm。例如，可以控制锗膜层130的厚度为2nm、3nm、5nm、8nm、10nm、15nm或20nm，或者，也可以控制锗膜层130的厚度在上述任意两厚度之间的范围内。
可以理解，在该步骤中，锗原子也可以一并沉积于衬底100上。
步骤S4，在锗膜层130上沉积锡原子，基于锗膜层130形成层叠设置于锗膜层130上的锡膜层140。
图5为在图4所示结构的基础上制备锡膜层140的结构示意图。参照图5所示，锡膜层140层叠设置于锗膜层130上。进一步地，锡膜层140可以包覆锗膜层130设置。可以理解，锗膜层130也设置于碳纳米管120的管壁上。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锡原子的方式可以是化学气相沉积法或物理气相沉积法。例如，可以采用锡金属靶，通过溅射的方式在碳纳米管120上沉积锡原子。由于锡和锗属于同族元素，沉积的锡原子能够以已经制备的锗的晶格作为基底进行生长，获得和锗膜层130相似的构型，这能够显著增强锡膜层140和锗膜层130之间的附着能力。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锡原子的步骤中，可以控制衬底100的温度为100℃~200℃。例如，可以控制衬底100的温度为100℃、120℃、150℃、180℃或200℃，或者，还可以控制衬底100的温度在上述任意两温度之间的范围内。控制衬底100的温度较高，有助于增加锡原子的扩散能力，使得锡原子在沉积时能够形成晶格较好的锡膜层140。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锡原子的步骤中，可以控制溅射功率为50W~200W。例如，可以控制溅射功率为50W、80W、100W、120W、150W、180W或200W。或者，也可以控制溅射功率在上述任意两溅射功率之间的范围内。控制锡原子的溅射功率为50W~200W，有助于提高锡原子形成的锡膜层140的膜层质量，以使得锡膜层140具有较高的机械强度，保证锡膜层140的稳定。
在该实施例的一些示例中，在碳纳米管120上沉积锡原子的步骤中，可以控制锡膜层140的厚度为1nm~10nm。例如，可以控制锡膜层140的厚度为1nm、2nm、3nm、5nm、6nm、8nm或10nm，或者，也可以控制锡膜层140的厚度在上述任意两厚度之间的范围内。
进一步地，在该实施例的一些示例中，锗膜层130的厚度大于锡膜层140的厚度。
可以理解，在该步骤中，锡原子也可以一并沉积于衬底100上。
进一步地，在锗膜层130上沉积锡原子之后，还可以包括对锗膜层130和锡膜层140进行退火处理的步骤。退火处理可以在保护性气体或真空环境中进行。在退火处理的步骤中，可以将锗膜层130和锡膜层140的温度加热至300℃~600℃，然后使其自然降温，以完成退火。
可以理解，通过步骤S1~步骤S4，能够完成该电极材料的制备。
进一步地，参照图5所示，本公开还提供了一种电极材料，该电极材料包括：衬底100、催化层110，碳纳米管120、锗膜层130和锡膜层140。其中，催化层110设置于衬底100上；碳纳米管120设置于催化层110上且碳纳米管120基于催化层110生长；锗膜层130位于碳纳米管120的管壁上；锡膜层140层叠设置于锗膜层130上。
在该实施例的一些示例中，催化层110的材料应当包括能够催化碳原子形成碳纳米管120的材料。在该实施例的一些示例中，催化层110的材料可以包括金属材料。例如，催化层110的材料可以选自铁、钴和镍中的一种或多种。
在该实施例的一些示例中，催化层110可以包括多个间隔设置的岛状的催化部。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120可以有多个，多个碳纳米管120可以在衬底100上呈阵列设置。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120的长径比可以是（10~100）:1。通过控制碳纳米管120的长径比为（10~100）:1，能够在保证后续制备的锗膜层130较为稳定的同时提高锗材料的负载量。进一步地，碳纳米管120的长径比可以是10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、80:1或100:1。或者，碳纳米管120的长径比可以在上述任意两长径比之间的范围内。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120的直径可以是1nm~10nm。例如，碳纳米管120的直径可以是1nm、2nm、3nm、5nm、6nm、8nm或10nm，或者，碳纳米管120的直径可以在上述任意两直径之间的范围内。可以理解，碳纳米管120的直径可以通过控制所用催化层110中的催化部的尺寸及材料进行控制。
在该实施例的一些示例中，碳纳米管120的长度可以是10nm~1000nm。例如，碳纳米管120的长度可以是10nm、100nm、200nm、300nm、500nm、700nm、800nm或1000nm。或者，碳纳米管120的长度也可以在上述任意两长度之间的范围内。
在该实施例的一些示例中，锗膜层130的厚度为2nm~20nm。例如，锗膜层130的厚度为2nm、3nm、5nm、8nm、10nm、15nm或20nm，或者，也可以控制锗膜层130的厚度在上述任意两厚度之间的范围内。
在该实施例的一些示例中，锡膜层140的厚度为1nm~10nm。例如，锡膜层140的厚度为1nm、2nm、3nm、5nm、6nm、8nm或10nm，或者，也可以控制锡膜层140的厚度在上述任意两厚度之间的范围内。
在该实施例中，锗膜层130和锡膜层140均可以作为该电极材料中的活性物质。锗膜层130具有明显较高的锂离子扩散速度，锡膜层140和碳纳米管120具有较高的电导率，因而能够有效提高该电极材料的导电能力。并且，锗膜层130在充放电过程中沿径向方向（即垂直于碳纳米管120的轴向方向）膨胀，将其设置于具有相似构型的碳纳米管120和锡膜层140之间，能够使得锗膜层130的结构更为稳定，保证该电极材料在充放电过程中的结构稳定性。
进一步地，本公开还提供了一种储能装置，其包括正极、负极和隔膜，正极和负极相对设置，隔膜设置于正极和负极之间，负极包括如上述实施例的电极材料的制备方法制备得到的电极材料，或者，负极包括如上述实施例的电极材料。
可以理解，该储能装置可以是锂离子电池。
以上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)
1.一种电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上形成催化层；
在衬底上沉积碳原子，基于所述催化层形成碳纳米管；
采用溅射的方式在所述碳纳米管上沉积锗原子，基于所述碳纳米管形成位于所述碳纳米管的管壁上的锗膜层，在所述碳纳米管上沉积锗原子的步骤中，控制所述衬底的温度为400℃~600℃；以及，
采用溅射的方式在所述锗膜层上沉积锡原子，基于所述锗膜层形成层叠设置于所述锗膜层上的锡膜层，在所述锗膜层上溅射沉积锡原子的步骤中，控制所述衬底的温度为100℃~200℃。
2.根据权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，在衬底上形成催化层的步骤包括：
在所述衬底上沉积催化材料层；
加热所述催化材料层至600℃~850℃，以使得所述催化材料层转化形成所述催化层。
3.根据权利要求2所述的电极材料的制备方法，其特征在于，在所述衬底上沉积催化材料层的步骤中，控制所述催化材料层的厚度＜5nm。
4.根据权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，在所述碳纳米管上沉积锗原子的步骤中，控制溅射功率为20W~80W。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的电极材料的制备方法，其特征在于，在所述锗膜层上沉积锡原子的步骤中，控制溅射功率为50W~200W。
6.根据权利要求1~4任意一项所述的电极材料的制备方法，其特征在于，在所述锗膜层上沉积锡原子之后，还包括对所述锗膜层和所述锡膜层进行退火处理的步骤。
7.一种电极材料，其特征在于，由权利要求1~6任意一项所述的电极材料的制备方法制备得到，所述电极材料包括：
衬底；
催化层，所述催化层设置于所述衬底上；
碳纳米管，所述碳纳米管设置于所述催化层上且所述碳纳米管基于所述催化层生长；
锗膜层，所述锗膜层位于所述碳纳米管的管壁上；以及，
锡膜层，所述锡膜层层叠设置于所述锗膜层上。
8.根据权利要求7所述的电极材料，其特征在于，所述碳纳米管有多根，多根所述碳纳米管在所述衬底上阵列设置；和/或，
所述碳纳米管的长径比为（10~100）:1。
9.根据权利要求7~8任意一项所述的电极材料，其特征在于，所述锗膜层的厚度为2nm~20nm；和/或，
所述锡膜层的厚度为1nm~10nm。
10.一种储能装置，其特征在于，包括正极、负极和隔膜，所述正极和所述负极相对设置，所述隔膜设置于所述正极和所述负极之间，所述负极包括如权利要求1~6任意一项所述的制备方法制备得到的电极材料，或，所述负极包括如权利要求7~9任意一项所述的电极材料。
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| WO2011060023A2 (en) * | 2009-11-11 | 2011-05-19 | Amprius Inc. | Preloading lithium ion cell components with lithium |
| US20110189510A1 (en) * | 2010-01-29 | 2011-08-04 | Illuminex Corporation | Nano-Composite Anode for High Capacity Batteries and Methods of Forming Same |
-
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| CN112789748A (zh) * | 2018-06-07 | 2021-05-11 | 费拉拉大学 | 用于生产锂离子电池的阳极的方法 |
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