本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋰離子電池屬于綠色高能可充電化學(xué)電源，具有電壓高、能量密度大、循環(huán)性能好、自放電小、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點，在運載工具、便攜式電子設(shè)備、通信用后備電源、空間技術(shù)、國防工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

目前，在商業(yè)化的鋰離子電池體系中，一般采用石墨類碳材料作為負極活性物質(zhì)，但是石墨的理論容量僅有 372 mAh/g，且倍率性能不佳，因此開發(fā)新型的高容量負極材料成為研究熱點。然而，具有高容量的負極材料基本都有著一個共同點：倍率性差，具體表現(xiàn)為負極材料在鋰化過程中體積發(fā)生急劇膨脹，最終導(dǎo)致粉化現(xiàn)象。由于硅的理論比容量高達4200 mAh/g，比石墨類負極材料的比容量高一個數(shù)量級，并且其嵌/脫鋰電位適中、與電解液反應(yīng)活性低、在地殼中儲量豐富、價格低廉等優(yōu)點，使得硅材料成為新一代鋰離子電池負極材料的理想選擇。然而，硅在與鋰的合金化反應(yīng)過程中，硅材料會產(chǎn)生劇烈的體積膨脹（>400%），容易導(dǎo)致活性材料在循環(huán)過程中發(fā)生粉化失效現(xiàn)象，使得電極活性材料與集流體的接觸減弱，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命急速衰減。同時，由于硅材料的體積膨脹效應(yīng)，使得硅材料在電解液中無法形成牢固的表面固體電解質(zhì)膜。電極結(jié)構(gòu)被破壞，新暴露出的硅表面會不斷形成新的電子絕緣（SEI）膜，最終導(dǎo)致充放電效率降低、容量衰減嚴重等后果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了有效緩沖活性物質(zhì)的體積膨脹，縮短鋰離子擴散距離，提高活性物質(zhì)和集流體的結(jié)合力和導(dǎo)電性，從而增強鋰離子電池的初始效率、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，本發(fā)明提供了一種用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極。

本發(fā)明還提供了所述一種用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極的制備方法。

一種用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極，由頂蓋、底板和活性物質(zhì)構(gòu)成；所述頂蓋為銅顆粒構(gòu)成，銅顆粒之間具有多孔微米結(jié)構(gòu)；所述底板中央設(shè)置有活性物質(zhì)儲藏腔，所述的活性物質(zhì)儲藏于活性物質(zhì)儲藏腔中。

所述的一種用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極的制備方法，包括底板的成型、活性物質(zhì)的填充和電極的整體成型。

進一步地，所述底板的成型，包括如下步驟：

（1）圓形遮光片的設(shè)計：用圓形沖頭沖出圓形遮光片；

（2）銅片的表面預(yù)處理：用粗砂紙對銅片進行粗打磨，再用細砂紙進行精打磨，使銅片表面平整；再將打磨后的銅片置于清洗劑中浸泡并用超聲波攪拌，使銅片表面光滑，去離子水清洗干凈；

（3）抗腐蝕感光藍膜的覆蓋和曝光：將抗腐蝕感光藍膜貼在清洗后的銅片的兩個光滑平整表面，接著用紫外線曝光機對銅片的任意一面進行完整曝光，然后將圓形遮光片置于銅片未曝光的一面進行遮光曝光；

（4）結(jié)構(gòu)的顯影、蝕刻及脫膜：使用顯影溶液對銅片曝光的結(jié)構(gòu)進行顯影，并將顯影后的銅片置于環(huán)保蝕刻劑溶液中蝕刻；蝕刻完畢后，將銅片置于脫膜溶液中脫膜，并用去離子水清洗，干燥，得到所述底板。

更進一步地，步驟（1）中，所述圓形遮光片的直徑大小根據(jù)活性物質(zhì)儲藏腔的直徑大小設(shè)計。

更進一步地，步驟（2）中，所述浸泡的時間為3~5min。

更進一步地，步驟（3）中，所述曝光的時間均為5~7s。

更進一步地，步驟（4）中，所述蝕刻的時間為120~150min。

進一步地，所述活性物質(zhì)的填充，包括如下步驟：

（1）漿料的制備：將活性物質(zhì)加入去離子水中，用行星球磨機攪拌混合均勻，得到活性物質(zhì)漿料；

（2）漿料的涂布：將活性物漿料均勻地涂于底板的活性物質(zhì)儲藏腔中，并把底板邊緣的漿料擦拭干凈，烘干，填充完畢。

更進一步地，步驟（1）中，所述活性物質(zhì)與去離子水的料液比為7~8:9~11g/mL。

更進一步地，步驟（1）中，所述行星球磨機攪拌的時間為3~4h。

更進一步地，步驟（2）中，所述活性物漿料的涂布厚度為0.3~0.5mm。

更進一步地，步驟（2）中，所述烘干是在60~70℃下烘2~3h。

進一步地，所述電極的整體成型，包括如下步驟：

（1）頂蓋的覆蓋：將銅粉完全均勻平鋪于活性物質(zhì)的頂部，并使底板邊緣與銅粉充分接觸，最后用模具壓實并鎖緊；

（2）整體燒結(jié)成形：將鎖緊的模具置入真空電阻爐中保溫，得到所述用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極。

更進一步地，步驟（1）中，所述銅粉的粒徑為30~40um。

更進一步地，步驟（2）中，所述保溫是在800~900℃下保溫1~2h。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有如下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明的用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極中，活性物質(zhì)包裹在集流體中間，有利于活性物質(zhì)與集流體的充分接觸，可有效地減小集流體與活性物質(zhì)之間的接觸電阻，極大地提高電極的導(dǎo)電性；

（2）本發(fā)明的用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極中，集流體有效地限制了活性物質(zhì)在鋰化過程中急劇的體積膨脹，可有效防止活性物質(zhì)在電池循環(huán)充放電過程中從集流體的表面脫落分離以至鋰離子電池失效，從而提高電池的循環(huán)壽命和容量的穩(wěn)定性；

（3）本發(fā)明的用于鋰離子電池的活性物質(zhì)儲藏式新型電極中，表面的微米級孔洞有利于電解液和鋰離子的運輸，可有效地保證鋰離子電池的正常充放電。

附圖說明

圖1為實施例1中制備的用于鋰離子電池的硅粉儲藏式新型電極的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例2中硅粉儲藏式新型電極用于鋰離子半電池的裝配示意圖。

具體實施方式

為進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但

是需要說明的是，本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍，權(quán)利要求范圍內(nèi)參數(shù)的其他未列舉實施例同樣有效，以下若有未特別詳細說明之參數(shù)或物質(zhì)均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的。

實施例1

一種用于鋰離子電池的硅粉儲藏式新型電極的制備，包括如下步驟：

新型電極底板的成形

（1）圓形遮光片的設(shè)計：用直徑為8mm的圓形沖頭沖出圓形遮光片；

（2）銅片的表面預(yù)處理：先用600目砂紙對直徑為15mm銅片進行粗打磨，再用1200目的細砂紙打磨，使銅片表面平整；隨后將銅片置于覆銅板表面清洗劑中浸泡并不斷攪拌5min，使銅片表面光滑，最后用去離子水將銅片清洗干凈；

（3）抗腐蝕感光藍膜的覆蓋和曝光：將抗腐蝕感光藍膜貼在銅片的兩個光滑平整表面，接著用紫外線曝光機對銅片的任意一面進行完整曝光，然后將圓形遮光片置于銅片未曝光的一面進行遮光曝光，曝光時間均為5s；

（4）結(jié)構(gòu)的顯影、蝕刻及脫膜：使用顯影溶液對曝光的結(jié)構(gòu)進行顯影，并將顯影后的銅片置于蝕刻劑溶液中蝕刻120min；蝕刻完畢后將銅片置于脫膜溶液中脫膜，并用去離子水對所得銅片進行清洗和干燥。

儲藏腔活性物質(zhì)的填充

（5）漿料的制備：將8g的硅粉加入到10ml的去離子水中，用行星球磨機攪拌1h至漿料混合均勻；

（6）漿料的涂布：將漿料均勻地涂在底板的儲藏腔中，厚度為0.5mm，并把底板邊緣的漿料擦拭干凈；

（7）烘干：將涂好漿料的底板置于紅外烘干機中，在60℃的溫度下烘干2h。

新型電極的整體成型

（8）頂蓋的覆蓋：將4g直徑為40um的銅粉完全平鋪于硅粉頂部，并使底板邊緣與頂蓋銅粉充分接觸，最后用模具壓實并鎖緊；

（9）整體燒結(jié)成形：將鎖緊的模具置于真空電阻爐中，在900℃下保溫1.5h。

制備的用于鋰離子電池的硅粉儲藏式新型電極的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括頂蓋9、底板10和硅粉11；頂蓋9為銅顆粒構(gòu)成，銅顆粒之間具有多孔微米結(jié)構(gòu)；底板10的中央設(shè)置有活性物質(zhì)儲藏腔，硅粉11儲藏于活性物質(zhì)儲藏腔中。

實施例2

將實施例1制備的硅粉儲藏式新型電極用于鋰離子半電池的裝配示意圖如圖2所示，包括上電池殼1、彈片2、墊片3、鋰片4、隔膜5、電解液6、下電池殼7和硅粉儲藏式新型電極8；

硅粉儲藏式新型電極8置于下電池殼7上，電解液6直接浸潤硅粉儲藏式新型電極8，電解液6充滿由硅粉儲藏式新型電極8、下電池殼7和隔膜5所組成的整個腔體；鋰片4緊貼在隔膜5上，鋰片4的上表面由下至上依次放置著墊片3和彈片2，墊片3和彈片2起著調(diào)整壓力的作用；彈片2與上電池殼1緊密接觸以減小接觸電阻，保證電池內(nèi)部的良好的導(dǎo)電性。

硅粉儲藏式新型電極8用于鋰離子半電池裝配完成后，放電時，鋰片4開始脫鋰，鋰離子經(jīng)過隔膜5進入到電解液6中，隨后與硅粉儲藏式新型電極8中的硅粉11接觸而發(fā)生轉(zhuǎn)變，具體表現(xiàn)為鋰離子通過電解液穿過頂蓋9的微米孔狀結(jié)構(gòu)直接與硅粉11進行發(fā)生嵌鋰過程；與此同時，電子先后經(jīng)過墊片3、彈片2和上電池殼1進入到下電池殼7，由于下電池殼7與硅粉儲藏式新型電極8緊密接觸，因而電子進入到硅粉儲藏式新型電極8的硅粉中與鋰離子進行電荷中和，完成鋰離子半電池的放電過程，而鋰離子半電池的充電過程剛好相反。

鋰離子半電池在充放電過程中，由于銅粉的微米孔狀結(jié)構(gòu)增加了與鋰離子之間的有效接觸面積，因而電池的可逆容量得到極大的提升。此外，銅粉的微米孔狀結(jié)構(gòu)有利于電解液中的鋰離子輕易通過，進而和硅粉中發(fā)生嵌鋰和脫鋰過程，從而保證電池能進行正常的充放電。在電池的循環(huán)充放電過程中，硅粉與銅粉、銅片外殼緊密接觸，既提高了電極的導(dǎo)電性，又緩沖了硅粉嵌鋰過程中的體積變化程度；銅粉和銅片緊密地包裹著硅粉，在一定程度上限制了嵌鋰和脫鋰過程中硅粉的體積變化，從而有利于提高電池的可逆容量和循環(huán)壽命。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。