一种硫-硅锂电池制造技术

本发明专利技术公开一种硫‑硅锂电池，该电池将以纳米硅粉为活性物质的负极浆料及以硫单质为活性物质的正极浆料分别在铜箔、铝箔上涂覆制备得到锂电池负极、正极，且负极采用苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物或苯乙烯/丙烯酸甲酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳作为粘结剂，正极采用苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳作为粘结剂，以此得到的电池比容量高，所用材料环保，制备成本低，制备工艺简单。

【技术实现步骤摘要】
一种硫-硅锂电池
本专利技术涉及锂电池领域，具体涉及一种以硅为负极、硫为正极的硫硅锂电池。
技术介绍
锂离子电池于上世纪八十年代初开始研究和开发，最初主要用于便携式设备，随着其市场持续扩大，在各类型电动汽车和储能系统中也发挥了重要性作用。与传统的二次电池相比，锂离子电池具有较高的体积比能量和质量比能量，可以使电池变得更小、更轻，并且相对节能环保。然而，目前商业化运用的锂电池的能量密度较低，一般只有150-200Whkg-1，这也成为了高耗能科技应用中的瓶颈之一。同时，在《中国制造2025》中提出，到2025年，我国商业化锂离子电池能量密度要达到400Whkg-1。要带来电池能量密度的大幅提高，最有效的手段就是发展高比容量的活性物质。因此，对于高比能锂离子电池的研究成为目前储能材料领域研发的热点。锂硫电池(Li-S电池)早在20世纪60年代就被人提出，在过去的六年里，锂硫电池在电动汽车、无人机、人造卫星以及在恶劣条件下工作的其他能源储存领域的实际应用方面有着广阔的前景。锂硫电池中的硫正极能提供高达1675mAhg-1的理论比容量(是传统LiCoO2正极容量的五倍以上)，并且锂硫电化学对具有2600Whkg-1的能量密度(比传统锂离子电池高出五倍，成本得到大大降低)。锂硫电池最理想的负极材料是锂金属，锂金属的理论比容量非常高，能达到3860mAhg-1，并且相对于标准氢电极负电化学电位能达到-3.040V。然而锂金属作为负极时存在许多问题，包括锂枝晶的生长会刺穿隔膜导致电池内部短路，引发热逃逸，以及电池生产行业十分抗拒电池生产过程中锂金属的存在。因此，人们一直在致力于寻找能取代锂金属的非金属负极。而硅就是下一代锂电池最有希望的负极候选材料之一。这是由于其较低的嵌锂平台(与石墨相当)和高理论容量(Li15Si4相态时室温下能达到3590mAhg-1)，可达目前碳基材料的10倍。此外，硅是地壳总第二丰富的元素，因此，低成本地大规模生产硅具有很强的可行性。与此同时，硅作为负极也存在一系列亟需解决的问题。硅属于半导体，电导率较低。在脱、嵌锂时，硅的体积变化很大，可达400％，带来活性物质的粉化、破裂甚至脱离导电网络，导致循环性能急剧下降。另外，硅在脱、嵌锂时大的体积变化会带来硅表面SEI膜重复破裂、生成，消耗全电池中的锂源。而硫在作为电池的正极材料时主要存在电导率较低、体积变化较大(可达80％)、多硫化物溶解在电解液中导致活性物质损失、硫穿梭以及自放电等问题。粘结剂是电池功能中重要的成分，用于将活性材料粘合并保持在电极中，这有助于改善活性材料与导电碳之间的电接触以及将活性材料与集流体连接。合适的粘结剂的选择会显著地影响电池性能。例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)通常用作锂硫电池的常规粘结剂。然而，PVDF通常充当物理粘附力以使活性材料与添加剂机械连接；因此，当粘结剂和中间硫物质之间不存在键合时，容量随时间消逝，导致多硫化物的快速溶解。因此，迫切需要一种能够吸附亲水性多硫化物的极性粘结剂来替代传统的粘结剂，以推进锂硫电池技术。同时，Li-S电池商业化面临的更大挑战是如何增加质量负载和面积比容量，以便使用新的粘结剂使其能量密度最大化。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种硫-硅锂电池，该电池通过正极和负极合理的组分配合和恰当的组分配比使得电池的比容量高，电池使用寿命长，并且能防止电极浆料制备过程中及锂电池实际使用充放电过程中抵消硅的体积膨胀、抑制硫穿梭现象，保持该新型锂电池的优异性能。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种硫-硅锂电池，其特征在于，所述的锂电池负极是将负极浆料涂覆在铜箔上并对负极极片进行嵌锂后制备而得，厚度为50-200微米，所述的负极浆料的配方为：纳米硅5.0-7.0重量份，负极导电剂1.4-2.8重量份，负极粘结剂0.4-1.5重量份，负极增稠剂0.4-1.5重量份，负极分散介质80.0-95.0重量份；所述的负极粘结剂是苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物或苯乙烯/丙烯酸甲酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳；所述的负极极片的嵌锂是将锂片与负极极片在电解质存在的情况下进行长时间的接触来实现的，所述的锂片与所述的纳米硅的质量比为0.8-1.2；所述的锂电池正极是将正极浆料涂覆在铝箔上制备而得，厚度为50-300微米，所述的正极浆料的配方为：升华硫5.0-7.0重量份，正极导电剂1.4-2.8重量份，正极粘结剂0.4-1.5重量份，正极增稠剂0.4-1.5重量份，正极分散介质80.0-95.0重量份；所述的正极粘结剂是苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳。优选地，所述的纳米硅的平均直径为50-100纳米。优选地，所述的正极粘结剂和负极粘结剂的嵌段共聚物分子量均为(15-50)K-(40-150)K-(15-50)K，所述胶乳固含量均为25-60％。优选地，所述的正极和负极增稠剂均为羧甲基纤维素钠或聚丙烯酸。优选地，所述的正极和负极分散介质均为去离子水、蒸馏水或纯水。优选地，所述的负极导电剂均为导电石墨、导电炭黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或SP-Li，负极导电剂的粒径为300-500目，固定碳含量≥99.0％。优选地，所述的升华硫的粒径为20-200目。优选地，所述的正极导电剂为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚对苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)、导电石墨、导电炭黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或SP-Li，正极导电剂的粒径为300-500目，固定碳含量≥99.0％。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术的电池将硅负极进行预嵌锂，以保证硅负极能在锂硫电池中使用；2.本专利技术的电池正、负极制备采用水基乳胶型粘结剂，避免使用有机溶剂，过程环保；3.本工艺中的正、负极粘结剂采用嵌段型聚合物，通过相分离实现微观两相。其中，苯乙烯相与硅的π键作用力强，并且在电池中不溶胀电解液，可保证对硅的高粘结力；聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯嵌段溶胀电解液，提供锂传输通道，可通过提高电解液用量，在不影响粘结力的前提下大幅提高锂传输速率；同时，聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯弹性优异，在充放电过程中抵消硅的体积形变。两相作用不同，互不影响，但又通过化学键的连接避免发生宏观相分离而导致硅、硫和粘结剂的聚并，提高锂电池正、负极循环性能和比容量，延长使用寿命；4.本专利技术的电池采用的原料易得、对工艺设备的要求低。附图说明图1为实施例1得到的硫硅电池能量密度测试图。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术采用苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯或苯乙烯/丙烯酸甲酯/苯乙烯这两种嵌段型共聚物作为硅负极粘结剂，采用苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物作为硫正极粘结剂，共聚物两端的苯乙烯相不溶胀电解液，能够与硅粒子、硫粒子一同形成物理交联网络，维持电极结构稳定，丙烯酸正丁酯、丙烯酸甲酯相由于其高弹性可有效抵消硅、硫在脱嵌锂时的体积变化，同时适当溶胀电解液，提高锂的传导速率，提高锂电池负极、正极的循环性能。下述实施例中的苯乙烯/丙烯酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫‑硅锂电池，其特征在于，所述的锂电池负极是将负极浆料涂覆在铜箔上并对负极极片进行嵌锂后制备而得，厚度为50‑200微米，所述的负极浆料的配方为：纳米硅5.0‑7.0重量份，负极导电剂1.4‑2.8重量份，负极粘结剂0.4‑1.5重量份，负极增稠剂0.4‑1.5重量份，负极分散介质80.0‑95.0重量份；所述的负极粘结剂是苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物或苯乙烯/丙烯酸甲酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳；所述的负极极片的嵌锂是将锂片与负极极片在电解质存在的情况下进行长时间的接触来实现的，所述的锂片与所述的纳米硅的质量比为0.8‑1.2。所述的锂电池正极是将正极浆料涂覆在铝箔上制备而得，厚度为50‑300微米，所述的正极浆料的配方为：升华硫5.0‑7.0重量份，正极导电剂1.4‑2.8重量份，正极粘结剂0.4‑1.5重量份，正极增稠剂0.4‑1.5重量份，正极分散介质80.0‑95.0重量份；所述的正极粘结剂是苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳。

【技术特征摘要】
1.一种硫-硅锂电池，其特征在于，所述的锂电池负极是将负极浆料涂覆在铜箔上并对负极极片进行嵌锂后制备而得，厚度为50-200微米，所述的负极浆料的配方为：纳米硅5.0-7.0重量份，负极导电剂1.4-2.8重量份，负极粘结剂0.4-1.5重量份，负极增稠剂0.4-1.5重量份，负极分散介质80.0-95.0重量份；所述的负极粘结剂是苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物或苯乙烯/丙烯酸甲酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳；所述的负极极片的嵌锂是将锂片与负极极片在电解质存在的情况下进行长时间的接触来实现的，所述的锂片与所述的纳米硅的质量比为0.8-1.2。所述的锂电池正极是将正极浆料涂覆在铝箔上制备而得，厚度为50-300微米，所述的正极浆料的配方为：升华硫5.0-7.0重量份，正极导电剂1.4-2.8重量份，正极粘结剂0.4-1.5重量份，正极增稠剂0.4-1.5重量份，正极分散介质80.0-95.0重量份；所述的正极粘结剂是苯乙烯/丙烯酸正丁酯/苯乙烯嵌段型共聚物以粒子形式分散在水中形成的胶乳。2.根据权利要求1所述的硫-硅锂电池，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏瑶琪，裴海娟，张帆，高翔，罗英武，
申请(专利权)人：浙江大学，上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33