本发明专利技术涉及电池领域，特别涉及一种硅负极活性物质及其制备方法和制得的硅烯锂电池。一种硅负极活性物质，由以下原料混合后于惰性气体条件下加热熔融制成：按重量份计，硅源100‑150份，石墨烯类物质10‑50份，硼砂3‑8份，Nd 1‑5份，Ge 1‑5份，Sb 2‑7份，Se 3‑8份，Bi 1‑3份。本发明专利技术提供的硅负极活性物质，经过多次试验筛选，以硅源和石墨烯类物质为主要原料，再通过添加一定的硼砂以及Nd、Ge、Sb等元素，通过熔融制成的活性物质性能稳定，制成的电池具有较高的比容量，充电时间显著降低，放电时间显著延长，并且制成的电池经多次充放电过程中不易破坏，其电化学循环稳定性显著提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池领域，具体而言，涉及一种硅负极活性物质及其制备方法和制得的硅烯锂电池。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度高、能量效率高、循环寿命长、无记忆效应、快速放电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，因而成为世界各国科学家努力研究的重要方向。硅材料做负极材料的理论储能密度高达4200mAh/g，是所有负极材料中储能密度最高的，远超现在的商业石墨负极电极。电池实际上能够实现的能量密度显著低于基于活性物质计算的理论能量密度。对于硅负极锂离子电池来说这个问题尤为严重，这是因为在充放电循环中，由于锂离子不断地嵌入和脱出，硅的体积变化可以达到400％，由此会产生一系列的问题，硅颗粒粉碎和材料的断裂会破坏电极结构，使得导电变差引起容量下降，电化学循环过程中，沿电极厚度方向的电化学反应导致的不均匀极化会导致电极发生层状破裂与剥离，进而出现导电网络崩溃以及电极失效。同时由于体积在脱嵌和嵌入锂离子的过程中体积变化过大，导致电极表面的SEI膜不断的生成和破损，结果会使得SEI不断增加，消耗活性物质，使得电池的容量下降，影响电池的使用寿命。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种用于锂离子电池的硅负极活性物质，该硅负极活性物质性质稳定，长久使用后基本无破损。本专利技术的第二目的在于提供一种所述的硅负极活性物质的制备方法，该方法简单易行，制得的硅负极活性物质性能优越。本专利技术的第三目的在于提供一种用于锂离子电池的硅负极，通过将上述的硅负极活性物质与特定的粘结剂混合在一起，进一步增加硅负极活性物质性能的稳定性。本专利技术的第四目的在于提供一种硅烯锂离子电池，该电池充电时间短，放电时间长，循环稳定性好。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种硅负极活性物质，由以下原料混合后于惰性气体条件下加热熔融制成：按重量份计，硅源100-150份，石墨烯类物质10-50份，硼砂3-8份，Nd 1-5份，Ge 1-5份，Sb 2-7份，Se 3-8份，Bi 1-3份。其中，Nd为钕元素，Ge为锗元素，Sb为锑元素，Se为硒元素，Bi为铋元素；石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种的混合，其中石墨烯衍生物包括元素掺杂的石墨烯。本专利技术提供的用于锂离子电池的硅负极活性物质，经过多次试验筛选，以硅源和石墨烯类物质为主要原料，再通过添加一定的硼砂以及Nd、Ge、Sb等元素，通过熔融制成的活性物质性能稳定，制成的电池具有较高的比容量，充电时间显著降低，放电时间显著延长，并且制成的电池经多次充放电过程中不易破坏，其电化学循环稳定性显著提高。为了增强各原料之间的协同增强效果，达到更优越的综合性能，优选地，按重量份计，硅源120-140份，石墨烯类物质30-40份，硼砂3-5份，Nd 1-2份，Ge 1-2份，Sb 2-3份，Se 3-5份，Bi 1-2份。本专利技术中的惰性气体包括氩气、氮气等，其中，以氮气条件下得到的硅负极活性物质性能更优越，可能是由于在高温条件下，氮气中的氮元素能嵌合到制得的活性物质中，进一步增加制得的硅负极活性物质的稳定性。进一步地，所述硅源包括以下三种硅源中的任一种或多种；第一硅源为硅粉、二氧化硅、硅酸盐中的任一种或多种；第二硅源为甲基氯硅烷、苯基氯硅烷、甲基乙烯基氯硅烷、乙烯基三氯硅烷中的任一种或多种；第三硅源为硅烷烃、环硅烷烃、二氯硅烷、三氯硅烷中的任一种或多种。不同的硅源对制得的硅负极活性物质的性能有较显著的影响，其中以三种硅源的混合物，特别是以特定的比例制得的硅负极活性物质的性能最佳。经试验验证，以三种硅源混合后，经高温熔融，再通过逐步的降温，各成分之间会形成一种有序的结构，该结构质地紧密，用于制作电池负极，在使用过程中，性能稳定，经多次充放电测试，结构不会发生损害，循环稳定性好。优选地，所述硅源包括三种硅源，所述第一硅源、所述第二硅源与所述第三硅源的重量比例为6-8:3-5:1。优选地，所述石墨烯类物质在进行熔融前，还经过以下处理：将石墨烯类物质粉碎至50μm以下，然后于300-500W功率的微波条件下处理3-5min，冷却即可。通过特定功率的微波处理，石墨烯类物质处于膨胀状态，利于后续在熔融状态下与其他物质更好的融合，增加最终制得的活性物质的有序性。本专利技术还提供了上述硅负极活性物质的制备方法，包括以下步骤：将各原料混合后，以3-5℃/s的升温速率升温至1300-1500℃，保温3-5min，然后以3-5℃/min的降温速率冷却至室温即可。本专利技术先将各原料快速升温至一定温度，然后在1300-1500℃下熔融，再经过较慢的降温冷却，使得各原料之间充分混熔，并在缓慢降温过程中形成更有序的结构，制得的硅负极活性物质性能更稳定。其中，室温是指温度为15-25℃。本专利技术还提供了一种用于锂离子电池的硅负极，包括集流体，所述集流体上涂覆以下物质：权利要求1-4任一项所述的硅负极活性物质经碾磨制得的活性物质粉末、导电剂和粘结剂。该硅负极按照现有的硅负极进行制备即可。由于本专利技术中的硅负极活性物质中添加了一些元素，制得的硅负极活性物质不太容易粘结在一起，本专利技术人经多次试验，从众多粘结剂中如羟甲基纤维素、含氟聚合物、丙烯酸酯聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等单成分和多成分组合中，最终筛选得到其效果更佳的粘结剂。优选地，所述粘结剂为羟甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇的混合物；所述粘结剂的添加量为所述活性物质粉末重量的3％-5％。更优选地，所述羟甲基纤维素、所述聚乙烯吡咯烷酮、所述聚乙烯醇的重量比例为2:1-2:0.5-1。为了达到更好的粘结效果，并使活性物质分布更为均一，制得的硅负极如充放电、性能稳定性等综合性能更优越，并且节约成本，优选地，所述活性物质的粒径为50μm以下，优选为5-20μm。本专利技术还提供了一种硅烯锂离子电池，包括正极、上述的硅负极、位于正负极之间的隔膜以及电解液；所述正极的活性物质优选为磷酸铁锂。进一步地，所述电池为叠片式结构，正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔；如根据需求，正负极集流体上涂布的活性物质的密度可以均为150-180g/cm2。电解液为六氟磷酸锂溶液，如浓度可为1M。本专利技术提供的硅烯锂离子电池，采用以下方法制备：正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔；各称取正负极集流体上涂布的活性物质、导电剂Super P以及粘结剂，这三种物质的重量比例为20-25:1:0.8-1.5；加入蒸馏水，混合制成浆状，然后分别涂布在正负极集流体上，涂布后进行碾压，然后烘干，烘干是先在80-85℃保留2-3min，然后于100-110℃保留3-5min即可；然后进行叠片，叠片过程中将隔膜放置在正负极之间，并注入电解液即可。所用的隔膜为现有的锂电池的隔膜即可，如高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术提供的硅负极活性物质，以硅源和石墨烯类物质为主要原料，再通过添加一定的硼砂以及Nd、Ge、Sb等元素，通过熔融制成的活性物质性能稳定，制成的电池具有较高的比容量，充电时间显著降低，放电时间显著延长。(2)本专利技术通过限定硅源的种类以及各种硅源之间的配比，各成分经熔融处理后，会形成一种有序的结构，该结构质地紧密，用于制作电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于锂离子电池的硅负极活性物质，其特征在于，由以下原料混合后于惰性气体条件下加热熔融制成：按重量份计，硅源100‑150份，石墨烯类物质10‑50份，硼砂3‑8份，Nd 1‑5份，Ge 1‑5份，Sb 2‑7份，Se 3‑8份，Bi 1‑3份。
【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池的硅负极活性物质，其特征在于，由以下原料混合后于惰性气体条件下加热熔融制成：按重量份计，硅源100-150份，石墨烯类物质10-50份，硼砂3-8份，Nd 1-5份，Ge 1-5份，Sb 2-7份，Se 3-8份，Bi 1-3份。2.根据权利要求1所述的硅负极活性物质，其特征在于，按重量份计，硅源120-140份，石墨烯类物质30-40份，硼砂3-5份，Nd 1-2份，Ge 1-2份，Sb 2-3份，Se 3-5份，Bi 1-2份。3.根据权利要求1或2所述的硅负极活性物质，其特征在于，所述硅源包括以下三种硅源中的任一种或多种；第一硅源为硅粉、二氧化硅、硅酸盐中的任一种或多种；第二硅源为甲基氯硅烷、苯基氯硅烷、甲基乙烯基氯硅烷、乙烯基三氯硅烷中的任一种或多种；第三硅源为硅烷烃、环硅烷烃、二氯硅烷、三氯硅烷中的任一种或多种；优选地，所述硅源包括三种硅源，所述第一硅源、所述第二硅源与所述第三硅源的重量比例为6-8:3-5:1。4.根据权利要求1或2所述的硅负极活性物质，其特征在于，所述石墨烯类物质在进行熔融前，还经过以下处理：将石墨烯类物质粉碎至50μm以下，然后于300-500W功率的微波...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯军，冯雷，
申请(专利权)人：冯军，冯雷，
类型：发明
国别省市：河北;13
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。