用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极的制作方法

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体是一种用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极。

背景技术：

锂离子电池属于绿色高能可充电化学电源，具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点，在运载工具、便携式电子设备、通信用后备电源、空间技术、国防工业等领域得到了广泛应用。

目前，在商业化的锂离子电池体系中，一般采用石墨类碳材料作为负极活性物质，但是石墨的理论容量仅有 372 mAh/g，且倍率性能不佳，因此开发新型的高容量负极材料成为研究热点。然而，具有高容量的负极材料基本都有着一个共同点：倍率性差，具体表现为负极材料在锂化过程中体积发生急剧膨胀，最终导致粉化现象。由于硅的理论比容量高达4200 mAh/g，比石墨类负极材料的比容量高一个数量级，并且其嵌/脱锂电位适中、与电解液反应活性低、在地壳中储量丰富、价格低廉等优点，使得硅材料成为新一代锂离子电池负极材料的理想选择。然而，硅在与锂的合金化反应过程中，硅材料会产生剧烈的体积膨胀（>400%），容易导致活性材料在循环过程中发生粉化失效现象，使得电极活性材料与集流体的接触减弱，导致电池循环寿命急速衰减。同时，由于硅材料的体积膨胀效应，使得硅材料在电解液中无法形成牢固的表面固体电解质膜。电极结构被破坏，新暴露出的硅表面会不断形成新的电子绝缘（SEI）膜，最终导致充放电效率降低、容量衰减严重等后果。

技术实现要素：

为了有效缓冲活性物质的体积膨胀，缩短锂离子扩散距离，提高活性物质和集流体的结合力和导电性，从而增强锂离子电池的初始效率、循环稳定性和倍率性能，本实用新型提供了一种用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极。

用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极，其由顶盖、底板和活性物质构成；所述顶盖为铜颗粒构成，铜颗粒之间具有多孔微米结构；所述底板中央设置有活性物质储藏腔，所述的活性物质储藏于活性物质储藏腔中；所述活性物质包括硅粉。

进一步地，顶盖盖住底板的上端和侧边并相互接触。

进一步地，底板的活性物质储藏腔被顶盖盖住。

进一步地，底板的活性物质储藏腔与底板地面平行的横截面为圆形。

进一步地，所述活性物质的填充厚度为0.3~0.5mm。

进一步地，所述铜颗粒的粒径为30~40um。

所述的一种用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极的制备方法，包括底板的成型、活性物质的填充和电极的整体成型。

所述底板的成型，包括如下步骤：

（1）圆形遮光片的设计：用圆形冲头冲出圆形遮光片；

（2）铜片的表面预处理：用粗砂纸对铜片进行粗打磨，再用细砂纸进行精打磨，使铜片表面平整；再将打磨后的铜片置于清洗剂中浸泡并用超声波搅拌，使铜片表面光滑，去离子水清洗干净；

（3）抗腐蚀感光蓝膜的覆盖和曝光：将抗腐蚀感光蓝膜贴在清洗后的铜片的两个光滑平整表面，接着用紫外线曝光机对铜片的任意一面进行完整曝光，然后将圆形遮光片置于铜片未曝光的一面进行遮光曝光；

（4）结构的显影、蚀刻及脱膜：使用显影溶液对铜片曝光的结构进行显影，并将显影后的铜片置于环保蚀刻剂溶液中蚀刻；蚀刻完毕后，将铜片置于脱膜溶液中脱膜，并用去离子水清洗，干燥，得到所述底板。

更进一步地，步骤（1）中，所述圆形遮光片的直径大小根据活性物质储藏腔的直径大小设计。步骤（2）中，所述浸泡的时间为3~5min。步骤（3）中，所述曝光的时间均为5~7s。步骤（4）中，所述蚀刻的时间为120~150min。

进一步地，所述活性物质的填充，包括如下步骤：

（1）浆料的制备：将活性物质加入去离子水中，用行星球磨机搅拌混合均匀，得到活性物质浆料；

（2）浆料的涂布：将活性物浆料均匀地涂于底板的活性物质储藏腔中，并把底板边缘的浆料擦拭干净，烘干，填充完毕。

更进一步地，步骤（1）中，所述活性物质与去离子水的料液比为7~8:9~11g/mL。

更进一步地，所述行星球磨机搅拌的时间为3~4h。

更进一步地，所述活性物浆料的涂布厚度为0.3~0.5mm。

更进一步地，所述烘干是在60~70℃下烘2~3h。

进一步地，所述电极的整体成型，包括如下步骤：

（1）顶盖的覆盖：将铜粉完全均匀平铺于活性物质的顶部，并使底板边缘与铜粉充分接触，最后用模具压实并锁紧；

（2）整体烧结成形：将锁紧的模具置入真空电阻炉中保温，得到所述用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极。

更进一步地，步骤（1）中，所述铜粉的粒径为30~40um。

更进一步地，步骤（2）中，所述保温是在800~900℃下保温1~2h。

与现有技术相比，本实用新型的具有如下优点：

（1）本实用新型的用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极中，活性物质包裹在集流体中间，有利于活性物质与集流体的充分接触，可有效地减小集流体与活性物质之间的接触电阻，极大地提高电极的导电性；

（2）本实用新型的用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极中，集流体有效地限制了活性物质在锂化过程中急剧的体积膨胀，可有效防止活性物质在电池循环充放电过程中从集流体的表面脱落分离以至锂离子电池失效，从而提高电池的循环寿命和容量的稳定性；

（3）本实用新型的用于锂离子电池的活性物质储藏式新型电极中，表面的微米级孔洞有利于电解液和锂离子的运输，可有效地保证锂离子电池的正常充放电。

附图说明

图1为实施例1中制备的用于锂离子电池的硅粉储藏式新型电极的整体结构示意图；

图2为实施例2中硅粉储藏式新型电极用于锂离子半电池的装配示意图。

具体实施方式

为进一步理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，但是需要说明的是，本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围，权利要求范围内参数的其他未列举实施例同样有效，以下若有未特别详细说明之参数或物质均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

实施例1

一种用于锂离子电池的硅粉储藏式新型电极的制备，包括如下步骤：

新型电极底板的成形

（1）圆形遮光片的设计：用直径为8mm的圆形冲头冲出圆形遮光片；

（2）铜片的表面预处理：先用600目砂纸对直径为15mm铜片进行粗打磨，再用1200目的细砂纸打磨，使铜片表面平整；随后将铜片置于覆铜板表面清洗剂中浸泡并不断搅拌5min，使铜片表面光滑，最后用去离子水将铜片清洗干净；

（3）抗腐蚀感光蓝膜的覆盖和曝光：将抗腐蚀感光蓝膜贴在铜片的两个光滑平整表面，接着用紫外线曝光机对铜片的任意一面进行完整曝光，然后将圆形遮光片置于铜片未曝光的一面进行遮光曝光，曝光时间均为5s；

（4）结构的显影、蚀刻及脱膜：使用显影溶液对曝光的部位进行显影，并将显影后的铜片置于蚀刻剂溶液中蚀刻120min；蚀刻完毕后将铜片置于脱膜溶液中脱膜，并用去离子水对所得铜片进行清洗和干燥。

储藏腔活性物质的填充

（5）浆料的制备：将8g的硅粉加入到10ml的去离子水中，用行星球磨机搅拌1h至浆料混合均匀；

（6）浆料的涂布：将浆料均匀地涂在底板的储藏腔中，厚度为0.5mm，并把底板边缘的浆料擦拭干净；

（7）烘干：将涂好浆料的底板置于红外烘干机中，在60℃的温度下烘干2h。

新型电极的整体成型

（8）顶盖的覆盖：将4g直径为40um的铜粉完全平铺于硅粉顶部，并使底板边缘与顶盖铜粉充分接触，最后用模具压实并锁紧；

（9）整体烧结成形：将锁紧的模具置于真空电阻炉中，在900℃下保温1.5h。

制备的用于锂离子电池的硅粉储藏式新型电极的整体结构示意图如图1所示，包括顶盖9、底板10和硅粉11；顶盖9为铜颗粒构成，铜颗粒之间具有多孔微米结构；底板10的中央设置有活性物质储藏腔，硅粉11储藏于活性物质储藏腔中。

实施例2

将实施例1制备的硅粉储藏式新型电极用于锂离子半电池的装配示意图如图2所示，包括上电池壳1、弹片2、垫片3、锂片4、隔膜5、电解液6、下电池壳7和硅粉储藏式新型电极8；

硅粉储藏式新型电极8置于下电池壳7上，电解液6直接浸润硅粉储藏式新型电极8，电解液6充满由硅粉储藏式新型电极8、下电池壳7和隔膜5所组成的整个腔体；锂片4紧贴在隔膜5上，锂片4的上表面由下至上依次放置着垫片3和弹片2，垫片3和弹片2起着调整压力的作用；弹片2与上电池壳1紧密接触以减小接触电阻，保证电池内部的良好的导电性。

硅粉储藏式新型电极8用于锂离子半电池装配完成后，放电时，锂片4开始脱锂，锂离子经过隔膜5进入到电解液6中，随后与硅粉储藏式新型电极8中的硅粉11接触而发生转变，具体表现为锂离子通过电解液穿过顶盖9的微米孔状结构直接与硅粉11进行发生嵌锂过程；与此同时，电子先后经过垫片3、弹片2和上电池壳1进入到下电池壳7，由于下电池壳7与硅粉储藏式新型电极8紧密接触，因而电子进入到硅粉储藏式新型电极8的硅粉中与锂离子进行电荷中和，完成锂离子半电池的放电过程，而锂离子半电池的充电过程刚好相反。

锂离子半电池在充放电过程中，由于铜粉的微米孔状结构增加了与锂离子之间的有效接触面积，因而电池的可逆容量得到极大的提升。此外，铜粉的微米孔状结构有利于电解液中的锂离子轻易通过，进而和硅粉中发生嵌锂和脱锂过程，从而保证电池能进行正常的充放电。在电池的循环充放电过程中，硅粉与铜粉、铜片外壳紧密接触，既提高了电极的导电性，又缓冲了硅粉嵌锂过程中的体积变化程度；铜粉和铜片紧密地包裹着硅粉，在一定程度上限制了嵌锂和脱锂过程中硅粉的体积变化，从而有利于提高电池的可逆容量和循环寿命。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。