一种锂离子电池的硅基负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于新能源技术领域，具体涉及一种锂离子电池的硅基负极及其制备方法和应用，本发明专利技术锂离子电池的硅基负极，包括集流体，所述集流体表面包括从内到外依次由涂覆碳层、导电油墨层形成的表面涂覆材料层，表面涂覆材料的形态为纤维状、颗粒状中的一种或两种，并通过先后制备两层浆料形成涂覆材料层，缓解了硅基负极在充放电循环过程中的体积膨胀，克服了硅基负极导电性不好的缺点，从而提升电池的倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池的硅基负极及其制备方法和应用
本专利技术属于新能源
，具体涉及一种锂离子电池的硅基负极及其制备方法和应用。
技术介绍
随着经济、人文、科技的迅速发展，人与人之间的交流日益频繁，这就迫切的需要缩短彼此之间的距离。机动车作为陆路上的主要交通工具，数量呈爆发式增长，在这种巨大便利的情况下，必然伴随着隐患。大多数的机动车都是通过燃油作为动力运行，造成了严重的空气污染。而环境的保护是当下的主题，为提升环境质量，机动车的能源由石油向清洁能源发展，锂离子电池因其比容量大、续航能力强、可重复使用而受到欢迎。发展高比能锂离子电池需要依赖电池正极、负极、电解质以及隔膜等组成部分各自的性能及相互配合。目前商业化锂离子电池所用的负极以石墨为主，充放电时，锂离子在石墨层间嵌入脱出。市场常见的石墨负极其实际容量可达360mAh/g以上，已经非常接近其理论容量。硅基负极的理论容量最高可达到4212mAh/g，此时，锂在硅中形成Li4.4Si合金，由于锂在硅中的溶解量较大，导致该负极在充电过程中的体积变化巨大，最高可发生420％膨胀，放电时则可发生同样体积的收缩。巨大的体积膨胀与收缩导致硅基负极容易发生破碎、脱落，在循环过程中容易失去与集流体的有效电接触，随着充放电次数的增加，由于上述问题的存在，导致采用硅基作为负极的锂离子电池稳定性较差，电池寿命短。而硅基负极本身的改变已经达到一定的瓶颈，从集流体方面进行改进还存在巨大的空间。针对目前锂离子电池硅负极存在的缺陷，公开号108511762A通过提高正极集流体的电导率，提升正极集流体的抗拉伸强度，降低正极集流体的厚度，提升锂离子电池的体积能量密度，提高锂电池的低温充放电性能。然而这种集流体的变化并不能解决电池体积膨胀带来的危害。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术提供一种能克服硅基负极的缺陷的硅基负极及其制备方法和应用。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种锂离子电池的硅基负极，包括集流体，所述集流体表面包括从内到外依次由涂覆碳层、导电油墨层形成的表面涂覆材料层，表面涂覆材料的形态为纤维状、颗粒状中的一种或两种。作为优选，所述集流体的基体材质为铜箔。作为优选，所述导电油墨层的厚度为0.2-1μm。作为优选，所述导电油墨的原料包括纳米银颗粒、纳米银线中的一种或两种。进一步优选，所述纳米银颗粒的粒径为5-10nm，纳米银线的直径为10-20nm。作为优选，所述涂覆碳层的原料包括如下质量的成分：碳纳米管1-5g、碳纤维1-5g、导电剂15-35g、去离子水45-60g、粘结剂5-9g、分散剂5-8g。进一步优选，所述涂覆碳层的厚度为1-5μm。控制浆料的厚度，不仅能降低集流体的厚度，压缩电池的体积，更能促进电池两极之间的交换速率，提高电池的性能。集流体的材质采用铜箔，而铜箔表面较为光滑，若直接与硅基负极接触，两者的黏附力不够，容易造成活性物质脱落，进而降低电池性能。而涂覆碳层在铜箔上的覆盖，可以极大的增加铜箔表面的粗糙性，当硅基负极直接与表面粗糙的涂碳层接触，可以提升黏附力，同时增加了涂覆碳层与集流体的接触面积，即扩大了硅基负极与集流体的交流面积，降低了界面接触电阻，克服硅基负极导电性不好的缺点。进一步优选，所述导电油墨是将纳米银颗粒/纳米银线、丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚、乙醇分别依次添加到去离子水中，进行高速搅拌，然后添加丙烯酸树脂，继续搅拌形成均匀稳定的混合物浆料，最后丝印(涂布)于涂覆碳层上。虽然集流体表面已经有涂覆碳层，但是这样的涂覆碳层对电池的性能提升的幅度有限，本专利技术进一步丝印了一层导电油墨，其主要通过添加纳米银材料，并改变纳米银材料的形态来促进电池性能补益，即进一步提高集流体与硅基负极间的导电接触，减小界面电阻，并提高两者间的粘结强度，而且纳米银涂层本身有良好的柔韧性，可以进一步避免极片在实际使用中可能出现的弯曲折绕可能引起的涂覆层的脱落所导致的电导率下降或者粘结力下降。而正是导电油墨中的纳米银的形态变化，促进了集流体表面涂覆材料层的形态发生了改变。一种锂离子电池的硅基负极的制备方法，包括如下步骤：先将碳纳米管、碳纤维、导电剂、分散剂依次添加到去离子水中，充分搅拌后再添加粘结剂，继续搅拌，充分分散后形成浆料；将浆料均匀涂敷于铜箔表面形成涂覆碳层，进行化成、干燥处理后，将导电油墨丝印于涂覆碳层上形成导电油墨层，烘干固化得集流体，组装成电池负极。本专利技术通过改进集流体来增强电池的性能，而集流体的制备过程极为精简，所需的人工和用时少，在化成时，可以通过控制化成的温度和时间，使得浆料混合物获得合适的软化程度，并促进其中的粘结剂形成有效的交联效应，通过控制化成时施加压力的大小，使浆料层与铜箔紧密结合，减缓了电池中的活性物质与集流体以及导电剂在长期循环过程中由于体积膨胀而导致接触变差的缺陷。同时由于在铜箔表面的涂覆碳层上还进行了导电油墨的丝印(涂布)，在提高集流体与负极间的导电接触，减小界面电阻的同时，能进一步增加电解液的吸收量，提升电池循环稳定性。进一步优选，将锂离子电池的硅基负极应用在锂离子电池中，所述的锂离子电池包括锂离子电池的硅基负极。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术采用在铜箔上涂覆含碳混合物，提高了活性物质与集流体的黏附力，缓解了硅基负极在充放电循环过程中的体积膨胀。(2)本专利技术将浆料涂层与导电油墨相结合的方法，增加了活性物质与集流体的接触面积，克服了硅基负极导电性不好的缺点，从而提升电池的倍率性能。(3)本专利技术集流体的制备方法简洁有效，可以极大的加快硅基负极的商业化进程，有助于高比能、长寿命的锂离子电池的开发。附图说明图1为本专利技术集流体及其表面涂覆材料层的截面图。图中，1、导电油墨层；2、涂覆碳层；3、集流体基体。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。实施例1按上述集流体涂覆材料的原料进行称取，将4.0g碳纳米管，4.0g碳纤维，30.0g导电炭黑SuperP和8.0g分散剂依次添加到50.0g去离子水中，进行搅拌3h，然后添加粘结剂6.0g，继续搅拌30min，形成均匀稳定的浆料；将浆料均匀涂布在规格厚度的导电铜箔上，按规格化成后烘干溶剂形成涂覆碳层，控制涂覆碳层的厚度在1.0μm；将1.0g粒径为5nm的纳米银颗粒，1.0g丙二醇甲醚，1.0g二丙二醇甲醚，10.0g乙醇依次添加到20.0g去离子水中，进行高速搅拌2h，然后添加37％的丙烯酸树脂30.0g，继续搅拌20min，形成均匀稳定的混合浆料；将混合浆料均匀涂布到涂覆碳层的表面形成导电油墨层，控制导电油墨层的厚度在0.4μm，然后120℃进行烘干，即得到集流体。实施例2按上述集流体涂覆材料的原料进行称取，将3.0g碳纳米管，3.0g碳纤维，20.0g导电炭黑SuperP和6.0g分散剂依次添加到50.0g去离子水中，进行搅拌3h，然后添加粘结剂6.0g，继续搅拌30min，形成均匀稳定的浆料；将浆料均匀涂布在规格厚度的导电铜箔上，按规格化成后烘干溶剂形成涂覆碳层，控制涂覆碳层的厚度在4.0μm；将1.0g粒径为5nm的纳米银颗粒，1.0g丙二醇甲醚，1.0g二丙二醇甲醚，10.0g乙醇依次添加到20.0g本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池的硅基负极，包括集流体，其特征在于，所述集流体表面包括从内到外依次由涂覆碳层、导电油墨层形成的表面涂覆材料层，表面涂覆材料的形态为纤维状、颗粒状中的一种或两种。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池的硅基负极，包括集流体，其特征在于，所述集流体表面包括从内到外依次由涂覆碳层、导电油墨层形成的表面涂覆材料层，表面涂覆材料的形态为纤维状、颗粒状中的一种或两种。2.根据权利要求1所述的硅基负极，其特征在于，所述导电油墨层的厚度为0.2-1μm。3.根据权利要求1或2所述的硅基负极，其特征在于，所述导电油墨的原料包括纳米银颗粒、纳米银线中的一种或两种。4.根据权利要求3所述的硅基负极，其特征在于，所述纳米银颗粒的粒径为5-10nm，纳米银线的直径为10-20nm。5.根据权利要求1所述的硅基负极，其特征在于，所述涂覆碳层的原料包括如下质量的成分：碳纳米管1-5g、碳纤维1-5g、导电剂1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙珊珊，曹长河，颜雪冬，赵亚，马伟华，马兴立，
申请(专利权)人：宁波维科新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33