一种硅基浆料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种硅基浆料及其制备方法和应用。硅基浆料的原料包括硅基材料、非硅基陶瓷材料、碳材料、固化剂、分散剂、消泡剂和溶剂，通过分批次搅拌混合、分散、过滤得到。本发明专利技术将碳材料和硅基材料复合，硅基材料提高了电极材料的容量，又利用碳材料在一定程度上抑制了硅材料在循环过程中的体积膨胀，同时碳材料提高了硅基浆料的电导率、电子迁移率和电化学稳定性；添加的陶瓷基材料能够起到骨架作用，进一步抑制硅材料的膨胀，提升循环性能。本发明专利技术的硅基浆料作锂离子电池负极材料，有助于提高电池容量及容量高保持率循环次数，提升电化学性能。

A Silicon-based Paste and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种硅基浆料及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种硅基浆料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着新能源汽车、通讯及可便携式设备等对锂离子电池高容量、高续航能力的需求，锂离子电池已经发展到了一个瓶颈期。针对负极而言，目前广泛采用的负极材料是以石墨为主的各类碳材料，其理论容量只有372mAh/g，且在实际应用过程中，已接近理论容量，很难达到更高的容量要求，因此对于高比容量负极活性材料的研究已经是大势所趋。硅材料的理论容量远远高于石墨类碳材料，能够达到4200mAh/g，且资源相对丰富，是下一代新型负极材料的主要选择。但是硅材料在充放电过程中接近300％的体积膨胀会导致电池的综合性能大幅度下降：硅基负极材料嵌锂前后体积膨胀达到300％，巨大的体积效应加速材料粉化从集流体脱离，导致电池容量的降低以及循环寿命的不足。因此解决硅材料这一缺陷是目前国内外致力研究的课题，硅碳复合活性材料便是其中研究的一大热点。碳材料具有较高的电导率，结构相对稳固，在循环过程中体积膨胀很小，通常在10％以下，并且碳材料还具有良好的柔韧性和润滑性，能够在一定程度上抑制硅材料在循环过程中的体积膨胀，硅碳复合活性材料能够综合硅材料和碳材料各自的优势，发挥出更优异的性能。公开号为CN107742698A的中国专利技术专利公开了一种嵌入式硅碳复合材料的制备方法及其应用，采用沥青包覆法制得硅碳复合材料，抑制了硅的体积膨胀，实现了硅碳的多元复合，但该方法需要经过加压搅拌、惰性气氛下烧结碳化等工艺，制备过程较复杂。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术提供一种硅基浆料及其制备方法和应用，其综合膨胀率低，且制备工艺简单，制得的锂离子电池性能可得到有效提高。本专利技术采用以下技术方案：一种硅基浆料，包括如下重量份的组分：硅基材料5-50份，非硅基陶瓷材料0.1-10份，碳材料0.1-10份，固化剂1-50份，溶剂30-500份。优选的，本专利技术的硅基浆料，包括如下重量份的组分：硅基材料10-30份，非硅基陶瓷材料0.5-5份，碳材料0.1-3份，固化剂5-20份，溶剂70-200份。进一步的，硅基浆料组分还包括分散剂0.1-15份，消泡剂0.1-15份。进一步的，硅基材料包括硅单质、氧化亚硅、二氧化硅、四氯化硅、正硅酸锂(Li4SiO4)、硅酸锂(Li2SiO3)、二硅酸锂(Li2Si2O5)、MgSiO3、Mg2SiO4、CaSiO3、Ca2SiO4、Na2SiO3、Na4SiO4、K2SiO3、K4SiO4中的一种或几种。进一步的，非硅基陶瓷材料包括Al2O3、Al2O3·3H2O、AlOOH、ZrO2，Na2ZrO3、CaO、Y2O3、Gd2O3、Li3P、Li2S-P2S5、Li7La3Zr2O12、Li3PO4、Zr6O4OH4、LiPON(锂磷氧氮)、Li2S、B2S3、LiTFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)中的一种或几种。优选的，本专利技术的硅基浆料中，非硅基陶瓷材料为Li7La3Zr2O12。进一步的，碳材料包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米炭黑、乙炔黑、金刚石微粉、石墨烯中的至少一种。进一步的，固化剂包括聚四氟乙烯PVDF、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸树脂PAA、聚乙烯醇PVA、丁苯橡胶SBR、氢化丁腈橡胶HNBR、羧甲基纤维素钠CMC、聚氧化乙烯PEO、聚丙烯腈PAN、聚酰亚胺PI、海藻盐、壳聚糖中的一种或几种或上述两种及以上的均聚物或共聚物。优选的，固化剂为上述两种及以上的均聚物或共聚物。进一步的，分散剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚偏氟乙烯、聚乙二醇、淀粉、水溶性纤维素、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。进一步的，消泡剂包括异丙醇、丙酮中的一种或几种。进一步的，溶剂包括水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAC)、乙醇、甲醇中的一种或几种。本专利技术的硅基浆料，将碳材料和硅基材料复合，硅基材料提高了电极材料的容量，又利用碳材料在一定程度上抑制了硅材料在循环过程中的体积膨胀，同时碳材料提高了硅基浆料的电导率、电子迁移率和电化学稳定性；添加的陶瓷基材料能够起到骨架作用，进一步抑制硅材料的膨胀，提升循环性能，添加的固化剂具有优良的溶胀性能和柔韧性，可以补强硅材料的体积膨胀，降低综合膨胀率，使得本专利技术的硅基浆料的综合膨胀率低，0.5C循环200次厚度膨胀率可达到30％以下。同时陶瓷基材料具有一定的离子传导作用，可以提高电池的放电效率，改善负极材料循环性能，0.5C循环容量保持率到80％的循环次数可达到1000次以上，有效提升电化学性能。本专利技术还提供上述硅基浆料的制备方法，包括以下步骤：(1)在第一容器中加入部分溶剂，再向其中加入固化剂、消泡剂、部分分散剂以及研磨后的碳材料粉体，在搅拌机或高压均质机或超声分散机中分散，得到第一混合液；(2)在第二容器中加入剩余溶剂，再向其中加入硅基材料、非硅基陶瓷材料和剩余分散剂，在搅拌机或球磨机或砂磨机或均质机或超声分散机中分散，得到第二混合液；(3)将第一混合液和第二混合液混合，在搅拌机或球磨机或砂磨机或均质机或超声分散机中分散；(4)将分散后的混合液过滤，滤液即为硅基浆料。进一步的，步骤(1)和步骤(2)中的分散转速为800-20000r/min，步骤(3)中分散转速为600-20000r/min。优选的，步骤(3)中第一混合液和第二混合液混合后在高压均质机或超声分散机中分散。本专利技术的硅基浆料的制备方法，采用不同原料分批搅拌混合分散方式，由于硅基材料和非硅基陶瓷材料较硬，做纳米化分散时，若同时加入固化剂等有机物，容易把高分子链打断，使固化剂等失去作用。本专利技术通过分开分散再混合方式，既可以保证分散效果，又能确保混合搅拌的强度，有助于提高制得的硅基浆料的电化学性能。本专利技术还提供上述硅基浆料用作锂离子电池负极材料的应用。进一步的，硅基浆料与石墨负极材料混合后涂布在集流体上，硅基浆料固体组分占与石墨混合物总量的5-32wt％。具体的，石墨负极材料包括人造石墨、天然石墨、软碳、硬碳等。本专利技术的硅基浆料用作锂离子电池负极材料时，提高了负极材料的容量并解决了硅材料体积膨胀的问题，同时可根据容量需求自由配制负极石墨，制作简单方便，有助于满足不同容量需求。具体实施方式下面将结合具体实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术的保护范围。实施例1一种硅基浆料，包括如下重量份的组分：硅基材料氧化亚硅SiO10份，非硅基陶瓷材料Al2O3三氧化二铝0.5份，碳材料多壁碳纳米管0.5份，固化剂丙烯酸树脂PAA8份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮PVP0.1份，消泡剂异丙醇0.1份，溶剂水100份。本实施例中硅基浆料的制备方法，包括以下步骤：(1)在第一容器中加入部分溶剂，再向其中加入固化剂、消泡剂、部分分散剂以及研磨后的碳材料粉体，在高压均质机中分散得到第一混合液；(2)在第二容器中加入剩余溶剂，再向其中加入硅基材料、非硅基陶瓷材料和剩余分散剂，搅拌得到第二混合液，搅拌转速为5000r/min；(3)将第一混合液和第二混合液混合，搅拌转速为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基浆料，其特征在于，包括如下重量份的组分：硅基材料5‑50份，非硅基陶瓷材料0.1‑10份，碳材料0.1‑10份，固化剂1‑50份，溶剂30‑500份。

【技术特征摘要】
1.一种硅基浆料，其特征在于，包括如下重量份的组分：硅基材料5-50份，非硅基陶瓷材料0.1-10份，碳材料0.1-10份，固化剂1-50份，溶剂30-500份。2.根据权利要求1所述的硅基浆料，其特征在于，所述硅基浆料的组分还包括分散剂0.1-15份，消泡剂0.1-15份。3.根据权利要求1或2所述的硅基浆料，其特征在于，所述硅基材料包括硅单质、氧化亚硅、二氧化硅、四氯化硅、正硅酸锂、硅酸锂、二硅酸锂、MgSiO3、Mg2SiO4、CaSiO3、Ca2SiO4、Na2SiO3、Na4SiO4、K2SiO3、K4SiO4中的一种或几种。4.根据权利要求1或2所述的硅基浆料，其特征在于，所述非硅基陶瓷材料包括Al2O3、Al2O3·3H2O、AlOOH、ZrO2，Na2ZrO3、CaO、Y2O3、Gd2O3、Li3P、Li2S-P2S5、Li7La3Zr2O12、Li3PO4、Zr6O4OH4、LiPON、Li2S、B2S3、LiTFSI中的一种或几种。5.根据权利要求1或2所述的硅基浆料，其特征在于，所述碳材料包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米炭黑、乙炔黑、金刚石微粉、石墨烯中的至少一种。6.根据权利要求1或2所述的硅基浆料，其特征在于，所述固化剂包括聚四氟乙烯、苯乙烯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：田野，
申请(专利权)人：深圳沃伦特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44