锂离子电池硅基复合负极极片、制备方法及其锂离子电池技术

本发明专利技术属于锂离子电池制备领域，具体的说是锂离子电池硅基复合负极极片、制备方法及其锂离子电池。其极片呈现层状结构，内层为集流体及其沉积在表面的硅材料，中间层为硅烷偶联剂，外层为有机锂化合物。其制备过程为：首先通过磁控溅射法将硅基材料沉积在铜箔集流体上，之后依次喷涂硅烷偶联剂、锂盐化合物，最后制备出硅基复合负极极片。其制备出的复合极片利用致密度高硅，有机锂化合物锂离子导电率高的特性，及其硅烷偶联剂、硅材料、有机锂化合物之间高的粘附力特性降低其充放电过程中硅的膨胀率，提高其循环性能；其制备出的锂离子电池极片应用于锂离子电池具有首次效率高、能量密度大、倍率性能佳及其循环性能高等特性。

Silicon-based composite negative electrode for lithium-ion battery, preparation method and lithium-ion battery

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池硅基复合负极极片、制备方法及其锂离子电池
本专利技术属于锂离子电池制备领域，具体地说是一种锂离子电池硅基复合负极极片、制备方法及其锂离子电池。
技术介绍
随着市场对高比能量密度要求的提高，以提高电动汽车的续航里程，而负极材料是组成锂离子电池的关键材料，其性能的优劣对锂离子电池的能量密度、循环寿命及其安全性能产生重要影响。目前市场上所用负极材料主要以石墨为主，其比容量已接近理论容量372mAh/g，难以有大幅度的提高。而硅材料则以克容量高、价格低廉及其材料来源广泛等优点而成为目前研究的热点，并在不久的将来替代石墨成为负极材料的主流材料。但是硅材料（包括纳米硅、氧化亚硅）由于膨胀系数大，造成其充放电过程中极片的膨胀率高，并造成活性物质与集流体分离，造成其循环性能下降较快，虽然研究者通过材料包覆等手段降低材料的膨胀率，但是效果不明显，比如专利（CN104037396A）公开了硅-碳多元复合负极材料及其制备方法，其制备方法为先通过高温热解法制得膨胀石墨/硅-二氧化硅/碳复合负极材料，再倒入模具中施压得到柔性石墨/硅-二氧化硅/碳复合负极材料；再利用腐蚀液刻蚀处理二氧化硅得到柔性石墨/硅/碳复合负极材料，最后在保护性气氛中使用沥青渗透到柔性石墨/硅/碳复合负极材料的空隙内部，再高温热处理，制备而成，但是制备成极片后，膨胀率仍然偏高，尤其是大倍率循环性能偏差。而虽然通过化学沉积法在集流体上沉积硅单质或化合物，虽然循环性能得到改善，但是其在大倍率条件下，硅活性物质与集流体之间容易分离，造成其循环性能偏差。因此开发出一种在大倍率条件下循环性能优异的硅碳复合负极极片显得非常必要，并应用于高比能量密度锂离子电池。
技术实现思路
针对目前硅碳负极极片存在的高倍率循环性能差等方面的不足，本专利技术的目的是通过磁控溅射法在集流体表面沉积硅物质，之后在其外层喷涂一层有机锂化合物及其夹在层之间的硅烷偶联剂复合层，并制备出硅碳复合负极极片，并应用于锂离子电池。一种锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的复合负极极片呈现层状结构，内层为铜箔集流体及其沉积在表面的硅材料，中间层为硅烷偶联剂复合层，外层为有机锂化合物复合层，其厚度为：内层：中间层：外层=（10～15）：（2～10）：（5～15）。所述的硅材料的沉积采用磁控溅射法将硅单质或化合物进行沉积，其沉积厚度为（1～5）μm。所述的硅化合物材料为SiB4、SiB6、Mg2Si、SiB4、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、、NiSi2、、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4中的一种。所述的硅烷偶联剂复合层是由（60～80）%硅烷偶联剂和（20～40）%碳纳米网组成。所述的硅烷偶联剂为γ—氨丙基三乙氧基硅烷、γ―(2，3―环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ—（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、异氰酸丙基三乙氧基硅烷的一种。所述的有机锂化合物层中有机锂化合物为正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、正己基锂、苄基锂、苯基锂、二苯乙烯基锂、2—噻吩基锂中的一种。所述的有机锂化合物层中还含有粘结剂聚偏氟乙烯，其质量比为：有机锂化合物：粘结剂=（70～90）：（10～30）。所述的负极极片的制备过程为：1）涂覆液的制备：首先将（10-20)g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后再添加（10～20）g碳纳米管，分散均匀后再添加（60～80）g的硅烷偶联剂，并超声分散均匀，得到硅烷偶联剂涂覆液A；同时将（10～30）g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后添加（70～90）有机锂化合物，高速分散均匀后，得到有机锂化合物复合液B；2）复合极片的制备：之后通过磁控溅射法将硅化合物材料沉积在铜箔表面，干燥完毕后再涂覆负极活性物质材料，之后通过喷涂技术将硅烷偶联剂涂覆液A涂覆在表面，干燥完毕后，再在其表面涂覆有机锂化合物复合液B，干燥完毕后得到复合负极极片。所述的锂离子电池复合极片应用于锂离子电池。有益效果：1）采用磁控溅射法将硅材料沉积在集流体表面，其沉积厚度较小、致密度高、一致性强、过程容易控制，同时其在充放电过程中膨胀率低，且采用沉积法可以使硅物质与集流体具有较好的粘附力，降低其内阻。2）通过在含有硅物质的集流体表面沉积硅烷偶联剂，可以利用硅烷偶联剂与硅物质与有机化合物粘附力好的优点，提高层与层之间的粘附力，并发挥其外层有机锂化合物锂离子导电率高的特性，提高其倍率性能及其安全性能。附图说明图1、实施例1制备出的负极极片SEM图片。具体实施方式实施例11）涂覆液的制备：首先将15g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后再添加15g碳纳米管，分散均匀后再添加70gγ—氨丙基三乙氧基硅烷，并超声分散均匀，得到硅烷偶联剂涂覆液A；同时将20g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后添加80正丁基锂，高速分散均匀后，得到有机锂化合物复合液B；2）复合极片的制备：之后通过磁控溅射法将硅化合物SiB4沉积在15微米铜箔表面，沉积厚度为3μm，干燥完毕后，再通过喷涂技术将硅烷偶联剂涂覆液A涂覆在表面（厚度5μm），干燥完毕后，再在其表面涂覆有机锂化合物复合液B（厚度10μm），干燥完毕后，得到复合负极极片。实施例21）涂覆液的制备：首先将10g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后再添加10g碳纳米管，分散均匀后再添加80gγ―(2，3―环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，并超声分散均匀，得到硅烷偶联剂涂覆液A；同时将10g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后添加90仲丁基锂，高速分散均匀后，得到有机锂化合物复合液B；2）复合极片的制备：之后通过磁控溅射法将硅化合物Mg2Si沉积在15微米铜箔表面，沉积厚度为1μm，之后再通过喷涂技术将硅烷偶联剂涂覆液A涂覆在表面（厚度为2μm），干燥完毕后，再在其表面涂覆有机锂化合物复合液B（厚度为5μm），干燥完毕后得到复合负极极片。实施例31）涂覆液的制备：首先将20g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后再添加20g碳纳米管，分散均匀后再添加60gγ—（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷，并超声分散均匀，得到硅烷偶联剂涂覆液A；同时将30g聚偏氟乙烯溶于500mlN-甲基吡咯烷酮中，之后添加70g苯基锂，高速分散均匀后，得到有机锂化合物复合液B；2）复合极片的制备：之后通过磁控溅射法将硅化合物Ni2Si沉积在15微米铜箔表面，沉积厚度为5μm，干燥完毕后之后通过喷涂技术将硅烷偶联剂涂覆液A涂覆在表面（厚度为10μm），干燥完毕后，再在其表面涂覆有机锂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的复合负极极片呈现层状结构，内层为铜箔集流体及其沉积在表面的硅材料，中间层为硅烷偶联剂复合层，外层为有机锂化合物复合层，其厚度为内层：中间层：外层=（10～15）：（2～10）：（5～15）。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的复合负极极片呈现层状结构，内层为铜箔集流体及其沉积在表面的硅材料，中间层为硅烷偶联剂复合层，外层为有机锂化合物复合层，其厚度为内层：中间层：外层=（10～15）：（2～10）：（5～15）。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的硅材料的沉积采用磁控溅射法将硅单质或化合物进行沉积，其沉积厚度为（1～5）μm。


3.根据权利要求1所述的锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的硅化合物材料为SiB4、SiB6、Mg2Si、SiB4、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、、NiSi2、、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4中的一种。


4.根据权利要求1所述的锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的硅烷偶联剂复合层是由（60～80）%硅烷偶联剂和（20～40）%碳纳米管网组成。


5.根据权利要求5所述的锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为γ—氨丙基三乙氧基硅烷、γ―(2，3―环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ—（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、异氰酸丙基三乙氧基硅烷的一种。


6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昂，粱华，郭春艳，陈念，张志均，
申请(专利权)人：珠海中科兆盈丰新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44