一种高容量硅粉掺杂锂电池负极浆料的制备方法技术

一种高容量硅粉掺杂锂电池负极浆料的制备方法，通过在常规负极浆料制备过程中加入纳米硅粉，提高了材料的容量发挥性能，能满足锂离子电池对高能量密度的要求，并且经过增稠剂溶液制备、分散粉体、高粘度搅拌、低粘度搅拌、粘度测试、真空消泡等步骤，使各组分尤其是纳米硅粉充分分散了负极体系中，避免了纳米硅粉的团聚，保证循环稳定性；本发明专利技术具有制备时间短、设备磨损小、生产能耗低、分散效果好等有优点。采用本发明专利技术提供的负极浆料所制得的锂电池，内阻低，体积能量密度得到明显提高，且电池的循环性能好。

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及锂离子电池领域，具体为一种纳米硅粉掺杂锂电池负极浆料的制备方 法。
技术介绍
目前随着全球性石油资源紧缺与气候环境的不断恶化，人类社会发展面临着严峻 的挑战。发展清洁节能的新能源汽车受到世界各国的高度重视。新能源汽车的发展，关键 在其动力电源。锂离子电池具有能量密度大、自放电小、无记忆效应、工作电压范围宽、使用 寿命长、无环境污染等优点，是目前新能源汽车主要的动力电源。 锂离子电池的飞速发展主要是得益于电极材料的贡献，特别是负极材料的进步。 目前商业化锂离子电池负极材料采用的是石墨类碳材料，具有较低的锂嵌入/脱嵌电位、 合适的可逆容量且资源丰富、价格低廉等优点，是比较理想的锂离子电池负极材料。石墨类 碳材料，具有较低的锂嵌入/脱嵌电位、合适的可逆容量且资源丰富、价格低廉等优点，是 比较理想的锂离子电池负极材料。但其理论比容量只有372mAh/g，因而限制了锂离子电池 比能量的进一步提高，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求。 娃是一种最有希望取代碳材料的负极材料，这是因为娃具有尚达4200mAh/g的最 高容量；并且具有类似于石墨的平稳的放电平台。但与其它高容量金属相似，硅的循环性能 非常差，不能进行正常的充放电循环。硅作为负极材料使用时，在充放电循环过程中，Li2Si 合金的可逆生成与分解伴随着巨大的体积变化，会引起合金的机械分裂（产生裂缝与粉 化），导致材料结构的崩塌和电极材料的剥落而使电极材料失去电接触，从而造成电极的循 环性能急剧下降，最后导致电极失效，因此在锂离子蓄电池中很难实际应用。研究表明，小 粒径的硅或其合金无论在容量上还是在循环性能上都有很大的提高，当合金材料的颗粒达 到纳米级时，充放电过程中的体积膨胀会大大减轻，性能也会有所提高，但是纳米材料具有 较大的表面能，容易发生团聚，反而会使充放电效率降低并加快容量的衰减，从而抵消了纳 米颗粒的优点。 锂离子电池一般包括正极片、负极片、间隔于正极片和负极片之间的隔膜。正极 极片包括正极集流体和涂布在正极集流体上的正极膜片，负极片包括负极集流体和涂布在 负极集流体上的负极膜片。电极极片制备时，首先将活性物质（如钴酸锂、石墨等)、导电剂 (如乙炔黑，碳纳米管、碳纤维等)、粘接剂(如聚偏氟乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、羧甲基纤维 素钠、丁苯橡胶乳液等）和溶剂(如N-甲基吡咯烷酮、水等）一起制成电极浆料，再将其按要 求涂覆在集流体表面，然后进行干燥，得到电池极片。 其中电极浆料的性能对锂离子电池的性能有着重要的影响。电极浆料中各组分分 散得越均匀，极片便具有越好的加工性能，且电极各处的阻抗分布均匀，在充放电时活性物 质的作用可以发挥得越大，其平均克容量发挥将会有所提升，从而提升全电池的性能。 实际应用上，传统的负极浆料制备方法是将导电剂用增稠剂溶液进行高转速的双 行星式分散，然后加入负极活性物质，进行一定时间的搅拌后，再加入粘结剂经行短时间搅 拌得到最终负极浆料。此种方法首先对导电剂的分散需要长时间处理，耗时长且分散状态 并不理想，尤其是对于采用碳纳米管（CNT)、石墨烯等为导电剂的浆料制备；其次传统工艺 需要在浆料制备过程中，对搅拌体系一直保持抽真空状态，造成浆料体系内部温度易升高， 同时又在外部加循环水进行冷却，因此对设备的要求和磨损都很高。以上导致浆料制备效 率低、稳定性差、效果不理想，对后续极片的制备、锂电池的性能都会造成影响。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种高容量硅粉掺杂锂电 池负极浆料的制备方法，以实现在较短时间内对浆料各组分，尤其是纳米硅粉均匀分散，其 制备出的浆料均匀性好，稳定性优异，同时其制备的电池极片粘附力和克容量得到了提高， 并因此提高电池的能量密度及循环稳定性。 为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下所述的技术方案： 1、 增稠剂溶液制备：将增稠剂羧甲基纤维素钠（CMC)按一定比例加入去离子水溶剂 中，用搅拌机溶解均匀，取出备用，时间为60~100分钟； 2、 分散粉体：将负极活性物质、纳米硅粉、导电剂按比例加入搅拌桶搅拌分散，时间为 30~40分钟，并在时间1/2和结束时，刮搅拌桨和桶体上的粉体； 3、 高粘度搅拌：加入增稠剂溶液总量的55%~60%到上述搅拌后的粉体中，搅拌分散， 时间为60~70分钟，并在时间1/3、2/3和结束时，刮搅拌桨和桶体上的浆料，浆料温度控 制在25~35°C之间； 4、 低粘度搅拌：加入增稠剂溶液总量的35~30%到上述高粘度搅拌后的浆料中，搅拌 分散，时间为60~70分钟，并在时间1/3、2/3和结束时，刮搅拌桨和桶体上的浆料，浆料温 度控制在25~35°C之间； 5、 粘度测试：将上述步骤低粘度搅拌的浆料粘度进行粘度测试，如在正常范围2000~ 5000Mpa?S，直接进入下一步；如超过上述范围，则添加增稠剂溶液总量的5%~10%，再搅 拌分散，时间为30~40分钟，并在时间1/2和结束时，刮搅拌桨和桶体上的浆料，再检测一 次浆料粘度，达到粘度范围要求即可进入下一步； 6、 粘结剂添加：加入粘结剂SBR，搅拌分散，时间为10~30分钟； 7、 真空消泡：在低速搅拌状态下，对桶体进行抽真空，真空度为-0. 09~-0.IMPa，时间 为15~30分钟，即得到本专利技术方法所制备的负极浆料。 上述步骤2中负极活性物质为人造石墨、天然石墨、钛酸锂、硬碳、中间相碳微球 中的一种或多种混合物。 上述步骤2中纳米娃粉的粒径不大于70nm。 上述步骤2中导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种 或多种混合物。 上述步骤1和步骤2中，负极活性物质、纳米硅粉、导电剂、增稠剂、粘结剂各组分 的质量比依次为（90-97) :(1-10) :(1-4) :(1-5) :(1-3)，溶剂为上述各组分总量的80%~ 120% 〇 上述各步骤中，搅拌设备是双行星真空搅拌机，浆料温度是利用向行星搅拌桶通 入相应温度的恒温循环水的方法来控制的。 其次，本专利技术还具有以下特点： 1、 克比容量高：本专利技术因在传统负极浆料中，加入了纳米硅粉，提高了材料的容量发挥 性能，能满足锂离子电池对高能量密度的要求，并且纳米硅粉充分分散了负极体系中，避免 了纳米硅粉的团聚，保证循环稳定性； 2、 制备时间短：本专利技术负极浆料制备时间全程约为265~380分钟，且在后续制备过程 中，通过几次实际经验的积累，可省略粘度测试步骤，直接进入最后真空消泡过程，由此可 节省30~40分钟，如有多台设备先制备好增稠剂溶液，又可节省60~100分钟，相比常规 负极浆料制备工艺约7~9小时的时间，大大提高了生产效率； 3、 设备磨损小：本专利技术只在最后真空消泡过程中才需要对桶体进行抽真空，相比传统 工艺需要在浆料制备过程中，对搅拌体系一直保持抽真空状态，造成搅拌过程中热量难散 发，浆料温度易升高的弊端，具有实质性改善效果，短时间抽真空处理降低设备负担，减小 设备磨损； 4、 生产能耗低：本专利技术所制得的负极浆料固含量约为45~55%，相比常规制备工艺，具 有高固含量、低粘度的特点，因此使用的水的比例也相应减少，降低了后续涂布过程中对水 分蒸发所需的能耗。【具体实施方式】 下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高容量硅粉掺杂锂电池负极浆料的制备方法，其采用以下技术方案：、（1）增稠剂溶液制备：将增稠剂羧甲基纤维素钠（CMC）按一定比例加入去离子水溶剂中，用搅拌机溶解均匀，取出备用，时间为60～100分钟；（2）分散粉体：将负极活性物质、纳米硅粉、导电剂按比例加入搅拌桶搅拌分散，时间为30～40分钟，并在时间1/2和结束时，刮搅拌桨和桶体上的粉体；（3）高粘度搅拌：加入增稠剂溶液总量的55%～60%到上述搅拌后的粉体中，搅拌分散，时间为60～70分钟，并在时间1/3、2/3和结束时，刮搅拌桨和桶体上的浆料，浆料温度控制在25～35℃之间；（4）低粘度搅拌：加入增稠剂溶液总量的35～30%到上述高粘度搅拌后的浆料中，搅拌分散，时间为60～70分钟，并在时间1/3、2/3和结束时，刮搅拌桨和桶体上的浆料，浆料温度控制在25～35℃之间；（5）粘度测试：将上述步骤低粘度搅拌的浆料粘度进行粘度测试，如在正常范围2000～5000Mpa·S，直接进入下一步；如超过上述范围，则添加增稠剂溶液总量的5%～10%，再搅拌分散，时间为30～40分钟，并在时间1/2和结束时，刮搅拌桨和桶体上的浆料，再检测一次浆料粘度，达到粘度范围要求即可进入下一步；（6）粘结剂添加：加入粘结剂SBR，搅拌分散，时间为10～30分钟；（7）真空消泡：在低速搅拌状态下，对桶体进行抽真空，真空度为‑0.09～‑0.1MPa，时间为15～30分钟，即得到本专利技术方法所制备的负极浆料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田东，
申请(专利权)人：田东，
类型：发明
国别省市：广东;44