本發(fā)明涉及金屬材料鍍覆領(lǐng)域，尤其是涉及電池電極電化學(xué)性增強(qiáng)方法。

背景技術(shù)：

1、新能源因其清潔、可再生及環(huán)保特性而備受關(guān)注，但仍存在供電穩(wěn)定性和成本效益等問題，導(dǎo)致限制了新能源的大規(guī)模應(yīng)用。二次電池是目前能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供電儲能設(shè)備的最佳選擇，同時(shí)也是目前應(yīng)用廣泛程度最高的儲能設(shè)備，其能夠有效存儲能源、轉(zhuǎn)換能源的功能能夠滿足人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求，在生產(chǎn)生活等方面發(fā)揮重要的作用。二次電池的類型有很多種，鋰離子電池、蓄電池、鎳鉻電池等都是常見的二次電池。而在這些二次電池之中，鋰離子電池因具有環(huán)境友好和優(yōu)秀的電化學(xué)性能等優(yōu)勢從中脫穎而出，良好的能量密度和較長的循環(huán)壽命使鋰離子電池能夠應(yīng)對多種應(yīng)用場景，從而實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

2、鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)其關(guān)鍵材料由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)材料以及隔膜材料構(gòu)成。正極材料主要作用是提供活性鋰離子(li+)；負(fù)極材料主要作用是能量的儲存和釋放；電解質(zhì)主要作用是鋰離子(li+)在正負(fù)極之間傳導(dǎo)；隔膜主要作用是阻止正負(fù)極材料接觸導(dǎo)致電池短路鋰離子電池在充電時(shí)，li+從正極材料中脫出，通過電解質(zhì)介質(zhì)后嵌入負(fù)極材料中。同時(shí)，電子通過外部電路從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極，將電能轉(zhuǎn)換成可儲存的化學(xué)能。在電池放電時(shí)，由于正負(fù)極之間的電位差，鋰離子自發(fā)地從負(fù)極材料中脫出，返回嵌入正極材料中。同時(shí)，負(fù)極電子通過外電路遷移回正極，把儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。

3、鋰離子電池負(fù)極材料要具備以下條件：電化學(xué)反應(yīng)電位低、儲鋰能力強(qiáng)、電壓平臺的變化小、離子電子電導(dǎo)率較高、穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜、成本低、制備工藝簡單、對環(huán)境友好等。常用負(fù)極材料可分為碳基和非碳基類材料。硅基材料理論比容量4200?mah·g-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨，而且環(huán)境友好、地球元素豐度高、易加工等明顯的優(yōu)勢，被認(rèn)為是最有前途的負(fù)極材料候選者之一，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。然而，由于硅材料容易體積膨脹，膨脹形變率甚至超過300%，讓充放電過程中產(chǎn)生的膨脹、收縮應(yīng)力導(dǎo)致硅負(fù)極嚴(yán)重開裂，進(jìn)而電池發(fā)生加速走向失效。讓硅負(fù)極的商業(yè)化之路受到多重阻礙。緩解上述難題的最佳方法是利用高比容量的硅材料和高穩(wěn)定性的碳材料的制備硅碳復(fù)合材料。

4、硅碳復(fù)合負(fù)極材料制備方法較多，有化學(xué)氣相沉積法、機(jī)械球磨法、噴霧法、鎂熱還原法、溶膠-凝膠法以及熱解法等。噴霧法存在能耗高，儀器要求高的缺點(diǎn)；鎂熱還原法存在放電比容量較低的缺點(diǎn)；溶膠-凝膠法成本高；熱解法存在分散性能差，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重的缺點(diǎn)；機(jī)械球磨法得到的負(fù)極材料使用壽命首先；化學(xué)氣相沉積所采用的原料有毒易燃。

5、在此基礎(chǔ)上本申請采用磁控濺射技術(shù)交替制備硅-石墨烯梯度電極，并摻雜cu，克服現(xiàn)有技術(shù)中制備方法劣勢的基礎(chǔ)上，提高電極的電化學(xué)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、一種電池電極電化學(xué)性增強(qiáng)方法，采用磁控濺射制備硅-石墨烯梯度復(fù)合電極，并摻雜金屬cu。

2、首先對集流體進(jìn)行清洗干燥，隨后將集流體放入真空磁控濺射腔體內(nèi)。濺射腔體的本底真空度優(yōu)于2.0×10-4pa，工作氣體是純度為99.999%的高純氬氣，氬氣的流量為8-12sccm。集流體為pet、pp、pi或pc。

3、隨后制備si-石墨烯梯度交替結(jié)構(gòu)。所用靶材是純度為99.999%的硅靶、純度為99.99%的石墨靶及純度為99.999%的cu靶，硅靶濺射功率為80-100w，石墨靶濺射功率80-100w，銅靶濺射功率20-30w。濺射起始階段開啟石墨靶，濺射石墨層，厚度為15-25nm，隨后逐漸降低石墨靶功率至0w，逐漸升高硅靶和銅靶濺射功率至預(yù)設(shè)值，濺射15-25nm厚度si層；依上述方式交替沉積石墨層和硅層多層結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)梯度過渡。

4、最后將交替多層結(jié)構(gòu)電極進(jìn)行退火，使得石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯，并且進(jìn)一步降低由于濺射過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高石墨烯與si層之間的擴(kuò)散過渡，退火時(shí)的本底真空度為3.0×10-4pa,?300?-400℃?退火20-30分鐘,?退火后保持真空自然冷卻到室溫，最終得到電化學(xué)性增強(qiáng)的電池電極。

5、本發(fā)明首先采用磁控濺射工藝制備電極結(jié)構(gòu)，得到了石墨烯與硅的交替結(jié)構(gòu)，由于石墨烯表面積巨大，與集流體和硅層的結(jié)合性更優(yōu)，能夠改善電極的導(dǎo)電性能和循環(huán)穩(wěn)定性，并且由于石墨烯分子結(jié)構(gòu)為三維中空結(jié)構(gòu)，具有較大的彈性模量，能夠吸收在循環(huán)充放電過程中硅層產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力變形，并且在制備多層結(jié)構(gòu)時(shí)逐漸改變?yōu)R射功率，采用過渡梯度的方式能夠進(jìn)一步緩解變形的同時(shí)能夠避免層間開裂的趨勢。在制備si層時(shí)摻雜cu，cu原子在si硅層內(nèi)部引起晶格畸變，產(chǎn)生足夠的位錯(cuò)、空位等缺陷，為后續(xù)變形提供了緩沖空間，并且進(jìn)一步改善電極的導(dǎo)電性能。

技術(shù)特征：

1.一種電池電極電化學(xué)性增強(qiáng)方法，其特征在于，首先將集流體放入真空磁控濺射腔體內(nèi)，濺射腔體的本底真空度優(yōu)于2.0×10-4?pa，工作氣體是純度為99.999%的高純氬氣，氬氣的流量為8-12sccm；

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所用硅靶靶材純度為99.999%。

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所用石墨靶靶材純度為99.99%。

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所用cu靶靶材純度為99.999%。

5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于集流流體為pet、pp、pi或pc。

6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于退火后自然冷卻到室溫期間保持真空。

7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于退火時(shí)的本底真空度為3.0×10-4?pa。

8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將集流體放入真空磁控濺射腔體前對集流體進(jìn)行清洗干燥。

9.如權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)方法改進(jìn)得到的電池電極。

10.如權(quán)利要求9所述的電池電極，其特征在于集流流體為pet、pp、pi或pc。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及金屬材料鍍覆領(lǐng)域，尤其是涉及電池電極電化學(xué)增強(qiáng)方法。本方法采用磁控濺射工藝制備電極結(jié)構(gòu)，得到了石墨烯與硅的交替結(jié)構(gòu)，由于石墨烯表面積巨大，與集流體和硅層的結(jié)合性更優(yōu)，能夠改善電極的導(dǎo)電性能和循環(huán)穩(wěn)定性，并且由于石墨烯分子結(jié)構(gòu)為三維中空結(jié)構(gòu)，具有較大的彈性模量，能夠吸收在循環(huán)充放電過程中硅層產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力變形，并且在制備多層結(jié)構(gòu)時(shí)逐漸改變?yōu)R射功率，采用過渡梯度的方式能夠進(jìn)一步緩解變形的同時(shí)能夠避免層間開裂的趨勢。在制備Si層時(shí)摻雜Cu，Cu原子在Si硅層內(nèi)部引起晶格畸變，產(chǎn)生足夠的位錯(cuò)、空位等缺陷，為后續(xù)變形提供了緩沖空間，并且進(jìn)一步改善電極的導(dǎo)電性能。

技術(shù)研發(fā)人員：龔卓洋,林云志
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9