火焰沉积热处理硅电极的改性方法技术

本发明专利技术提供一种火焰沉积热处理硅电极的改性方法，该方法的步骤如下：(a)制备聚合物粘结剂基体溶液；(b)配置电极浆液；(c)涂布所述电极浆液；(d)固化及烘干所述硅电极；(e)改性处理所述硅电极，即将上述步骤(d)得到的覆盖有活性物质的所述硅电极包覆于滚筒的外侧面上，火焰装置设于滚筒的下方，该火焰装置是以可燃有机物作为燃料，先转动该滚筒，然后点燃该可燃有机物后利用火焰对所述的硅电极进行火焰沉积热处理改性。本发明专利技术提供的技术方案使得改性后的硅电极首次充放电效率高、可明显缓解晶体硅材料在电极中的衰减；与未经改性的硅电极相比，效果更优。所述改性方法简便，成本低廉，易于工业化生产，可以满足实际生产需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种对锂离子电池硅负极的制备方法和改性方法。
技术介绍
随着人口的增加、环保意识的增强、电子产品向小型化的发展，人们对资源的高效利用、有效提高电容量、减少对铅、镉等有毒金属的使用成为对新一代电池的追求。锂离子电池由于体积小、质量轻、寿命长、容量大、绿色环保、工作温度范围广泛等众多优点使之成为新一代电源的有力候选者。为了使锂离子电池能运用到更广泛的领域，满足下一代无线通讯设备、混合电动车的要求，我们需要显著提高锂离子电池的能量密度、功率密度。比较不同阳极材料的性能，硅负极既具有比传统碳负极高出十倍的比容量(质量比容量为：4200mA·h/g；体积比容量为：9786mA·h/cm3),又具备一个相对较低的放电位(平均脱锂电位在0.4V左右)。硅储量丰富(在地壳中的含量仅次于氧)，对环境友好，化学性质比较稳定，已广泛用于半导体工业中。在常温下，Si和Li+的合金化产物随着电位的变化有所不同，由晶态到非晶态的变化过程分为多个步骤，最后充电完成后都变成了非晶态。此过程还伴随着较大的体积膨胀，易引起基体结构的破碎(体积膨胀>400％)。随着充放电的进行，硅负极反复膨胀/收缩，以至于电极结构发生坍塌，易引起电池容量随循环的进行而衰减。为解决上述问题，研究者们进行了多项研究。包括：(1)纳米化；(2)壳核结构和空间结构设计；(3)合金化；(4)非金属掺杂；(5)非晶硅材料的利用；(6)特殊粘结剂的使用。KIM H通过溶剂热反应制备了5nm、10nm、20nm的纳米硅Si颗粒材料，结果表明10nm的Si颗粒用作锂离子电池负极材料首次库伦效率和循环性能最佳，并指出小于10nm的Si颗粒在制备过程中可能同时存在晶态和非晶态两相，充放电后颗粒尺寸基本不发生变化。首次库伦效率达80％，循环40次后仍保留有81％的容量(KIM H,SEO M,PARK M H,et al.A Critical Size of Silicon Nano‐Anodes for Lithium Rechargeable Batteries[J].Angewandte Chemie International Edition,2010,49(12):2146-9)。B Wang通过结合气相沉积法和制备氧化石墨烯的方法，制备了三明治结构硅电极。石墨片包裹硅纳米线(SiNW@G)起协同作用，防止电解液直接与活性物质接触，在充放电过程中，保证硅纳米线的完整性。氧化石墨烯(RGO)包裹SiNW@G形成三明治结构，能增加整个电极的机械强度，维持结构和电化学性能的完整性。在0.002～2V间，以2.1A/g充放电，可逆容量达到1600mAh/g循环100次后，容量保留有仍80％。如此优良的电化学性能，源于封闭的结构能有效阻止Si暴露，减缓SEI膜的生长，使活性物质能更好的适应体积的变化，促进循环稳定进行(WANG B,LI X,ZHANG X,et al.Adaptable silicon–carbon nanocables sandwiched between reduced graphene oxide sheets as lithium ion battery anodes[J].ACS nano,2013,7(2):1437-45)。在这些研究中，处理硅作为锂离子电池负极，均得到了良好的改进。在现有研究中，这几种方法相辅相成，仅通过一种方法改性难以达到良好的改性效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供火焰沉积热处理硅电极的改性方法，改善硅电极在循环过程中存在的问题，所要解决的技术问题是提高硅电极的比容量和循环性，同时使所述改性方法操作简便、经济易生产扩大化。本专利技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本专利技术提出的一种火焰沉积热处理硅电极的改性方法，其特征在于该改性方法的具体步骤如下：(a)制备聚合物粘结剂基体溶液：在高分子聚合物粘结剂中加入溶剂搅拌均匀得到聚合物粘结剂基体溶液，调节所述聚合物粘结剂基体溶液的固含量为15％～50％与绝对粘度为3000～7000mPa·S，使得所述的聚合物粘结剂基体溶液适合用于制作电极浆液；(b)配置电极浆液：将直径为100nm～3μm的纯度为99.9％的高纯晶体硅材料、导电剂和所述的聚合物粘结剂基体溶液按照质量比为(40～98)：(1～30)：(1～30)的比例混合，配置成电极浆液，其中所述的导电剂是炭黑与乙炔黑按照质量比为1：1制作而成；或者将直径为30nm～3μm的纯度为99.9％的高纯晶体硅材料、导电剂和所述的聚合物粘结剂基体溶液按照质量比为(40～98)：(1～30)：(1～30)的比例混合，配置成电极浆液，其中所述的导电剂是把炭黑、乙炔黑与多壁碳纳米管MWCNTs按照质量比为(2～4)：(3～4)：(5～2)混合制作而成；(c)涂布所述电极浆液：将上述步骤(b)得到的所述电极浆液用涂膜机直接涂布在铜箔上；(d)固化及烘干所述硅电极：将上述步骤(c)的铜箔平放在鼓风烘箱中固化，然后将所述的铜箔放置于真空烘箱中烘烤处理，最后冷却至室温时取出，得到覆盖有活性物质的所述硅电极；(e)改性处理所述硅电极：将上述步骤(d)得到的覆盖有活性物质的所述硅电极包覆于滚筒的外侧面上，火焰装置设于滚筒的下方，该火焰装置是以可燃有机物作为燃料，先转动该滚筒，然后点燃该可燃有机物后利用火焰对所述的硅电极进行火焰沉积热处理改性；或者将上述步骤(d)得到的覆盖有活性物质的所述硅电极放置于皮带运输装置上，火焰装置设于所述皮带运输装置的下方，该火焰装置是以可燃有机物作为燃料，先启动该皮带运输装置，然后点燃该可燃有机物后利用火焰对所述的硅电极进行火焰沉积热处理改性。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的火焰沉积热处理硅电极的改性方法，其中所述高分子聚合物粘结剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚酰亚胺、聚酰胺酸、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、酚醛树脂、环氧树脂、聚四氟乙烯、海藻酸盐、聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚芳醚酮中的一种或几种。前述的火焰沉积热处理硅电极的改性方法，其中溶解所述高分子聚合物粘结剂的所述溶剂为氮甲基吡咯烷酮，二甲基甲酰胺DMF，二甲基乙酰胺DMAc中的一种或几种。前述的火焰沉积热处理硅电极的改性方法，其中步骤(d)中所述固化的温度范围为45～60℃，所述固化的时间为4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种火焰沉积热处理硅电极的改性方法，其特征在于该改性方法的具体步骤如下：(a)制备聚合物粘结剂基体溶液：在高分子聚合物粘结剂中加入溶剂搅拌均匀得到聚合物粘结剂基体溶液，调节所述聚合物粘结剂基体溶液的固含量为15％～50％与绝对粘度为3000～7000mPa·S，使得所述的聚合物粘结剂基体溶液适合用于制作电极浆液；(b)配置电极浆液：将直径为100nm～3μm的纯度为99.9％的高纯晶体硅材料、导电剂和所述的聚合物粘结剂基体溶液按照质量比为(40～98)：(1～30)：(1～30)的比例混合，配置成电极浆液，其中所述的导电剂是炭黑与乙炔黑按照质量比为1：1制作而成；或者将直径为30nm～3μm的纯度为99.9％的高纯晶体硅材料、导电剂和所述的聚合物粘结剂基体溶液按照质量比为(40～98)：(1～30)：(1～30)的比例混合，配置成电极浆液，其中所述的导电剂是把炭黑、乙炔黑与多壁碳纳米管MWCNTs按照质量比为(2～4)：(3～4)：(2～5)混合制作而成；(c)涂布所述电极浆液：将上述步骤(b)得到的所述电极浆液用涂膜机直接涂布在铜箔上；(d)固化及烘干所述硅电极：将上述步骤(c)的铜箔平放在鼓风烘箱中固化，然后将所述的铜箔放置于真空烘箱中烘烤处理，最后冷却至室温时取出，得到覆盖有活性物质的所述硅电极；(e)改性处理所述硅电极：将上述步骤(d)得到的覆盖有活性物质的所述硅电极包覆于滚筒的外侧面上，火焰装置设于滚筒的下方，该火焰装置是以可燃有机物作为燃料，先转动该滚筒，然后点燃该可燃有机物后利用火焰对所述的硅电极进行火焰沉积热处理改性；或者将上述步骤(d)得到的覆盖有活性物质的所述硅电极放置于皮带运输装置上，火焰装置设于所述皮带运输装置的下方，该火焰装置是以可燃有机物作为燃料，先启动该皮带运输装置，然后点燃该可燃有机物后利用火焰对所述的硅电极进行火焰沉积热处理改性。...

【技术特征摘要】
1.一种火焰沉积热处理硅电极的改性方法，其特征在于该改性方法的
具体步骤如下：
(a)制备聚合物粘结剂基体溶液：在高分子聚合物粘结剂中加入溶剂
搅拌均匀得到聚合物粘结剂基体溶液，调节所述聚合物粘结剂基体溶液的
固含量为15％～50％与绝对粘度为3000～7000mPa·S，使得所述的聚合物粘结
剂基体溶液适合用于制作电极浆液；
(b)配置电极浆液：
将直径为100nm～3μm的纯度为99.9％的高纯晶体硅材料、导电剂和所
述的聚合物粘结剂基体溶液按照质量比为(40～98)：(1～30)：(1～30)的比
例混合，配置成电极浆液，其中所述的导电剂是炭黑与乙炔黑按照质量比
为1：1制作而成；或者
将直径为30nm～3μm的纯度为99.9％的高纯晶体硅材料、导电剂和所述
的聚合物粘结剂基体溶液按照质量比为(40～98)：(1～30)：(1～30)的比例
混合，配置成电极浆液，其中所述的导电剂是把炭黑、乙炔黑与多壁碳纳
米管MWCNTs按照质量比为(2～4)：(3～4)：(2～5)混合制作而成；
(c)涂布所述电极浆液：将上述步骤(b)得到的所述电极浆液用涂
膜机直接涂布在铜箔上；
(d)固化及烘干所述硅电极：将上述步骤(c)的铜箔平放在鼓风烘
箱中固化，然后将所述的铜箔放置于真空烘箱中烘烤处理，最后冷却至室
温时取出，得到覆盖有活性物质的所述硅电极；
(e)改性处理所述硅电极：
将上述步骤(d)得到的覆盖有活性物质的所述硅电极包覆于滚筒的外
侧面上，火焰装置设于滚筒的下方，该火焰装置是以可燃有机物作为燃料，
先转动该滚筒，然后点燃该可燃有机物后利用火焰对所述的硅电极进行火
焰沉积热处理改性；或者
将上述步骤(d)得到的覆盖有活性物质的所述硅电极放置于皮带运输
装置上，火焰装置设于所述皮带运输装置的下方，该火焰装置是以可燃有
机物作为燃料，先启动该皮带运输装置，然后点燃该可燃有机物后利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯豪情，王琦，赵丹，
申请(专利权)人：江西先材纳米纤维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36