一种硅碳负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅碳负极及其制备方法，该硅碳负极包括集流体、涂覆于集流体上的活性材料层和涂覆于活性材料层上的功能涂层；功能涂层包括聚吡咯和单壁碳纳米管，聚吡咯与单壁碳纳米管形成三维网状导电网络。本发明专利技术还提供了硅碳负极的制备方法，包括：(1)在集流体上涂覆活性材料层浆料；(2)在集流体的活性材料层上涂覆功能涂层浆料，得到硅碳负极；功能涂层浆料采用以下方法制备得到：将吡咯单体分散于包含单壁碳纳米管的溶液中制备得到功能涂层浆料；在反应过程中，吡咯单体聚合形成聚吡咯，聚吡咯与单壁碳纳米管形成三维网状导电网络。本发明专利技术的硅碳负极抑制了硅系锂离子电池的硅碳负极的体积膨胀，并提高了硅碳负极的导电性能。

A silicon carbon negative electrode and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极及其制备方法
本专利技术涉及锂离子电池
，特别涉及一种硅碳负极及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池具有无记忆效应、自放电小、电压高、循环寿命长、环境友好等优点，现有的商业化锂离子电池大多采用石墨作为负极材料，但其理论电化学储锂容量仅为372mAh/g，远不能满足锂离子电池需要进一步提高能量密度的需求。与石墨负极相比，硅基负极材料能量密度优势明显，理论比容量可高达4200mAh/g，并且由于其储量丰富、嵌锂电位低等优点，成为负极材料研究与应用的热点。但硅基负极材料在实际应用中存在很多问题亟待解决，主要表现为：硅在嵌脱锂过程中体积效应大，高的体积膨胀率使得硅颗粒在循环过程中粉化严重，衰减迅速；其次，硅为半导体，导电性能比石墨负极差很多，极大影响了硅基体系锂离子电池的首次库伦效率及大电流充放电能力。总之，现有硅基体系锂离子电池存在硅碳负极体积膨胀率大及导电性能差的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种硅碳负极及其制备方法，抑制了硅系锂离子电池的硅碳负极的体积膨胀，并提高了硅碳负极的导电性能。基于上述目的，本专利技术提供了一种硅碳负极，包括集流体、涂覆于所述集流体上的活性材料层和涂覆于所述活性材料层上的功能涂层；所述功能涂层包括聚吡咯和单壁碳纳米管，所述聚吡咯与所述单壁碳纳米管形成三维网状导电网络。在本专利技术的一些实施例中，所述功能涂层还包括羧甲基纤维素锂，所述聚吡咯与所述单壁碳纳米管和所述羧甲基纤维素锂形成三维网状导电网络；优选地，所述聚吡咯、所述单壁碳纳米管与所述羧甲基纤维素锂的质量比为：(40-60):(20-50):(0.5-10)。在本专利技术的一些实施例中，所述活性材料层包括硅碳负极材料、导电剂和粘结剂；优选地，所述硅碳负极材料、所述导电剂和所述粘结剂的质量比为：(80-99.5):(0.1-10):(0.1-10)。在本专利技术的一些实施例中，所述硅碳负极材料包括氧化亚硅和石墨；优选地，所述氧化亚硅占所述硅碳负极材料的质量百分比为5-25％。在本专利技术的一些实施例中，所述导电剂选自单壁碳纳米管、石墨烯、导电石墨、导电炭黑、科琴黑或碳纤维中的至少一种；和/或，所述粘结剂选自聚丙烯酸、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、海藻酸钠、氟化橡胶或丙烯腈多元共聚物中的至少两种。在本专利技术的一些实施例中，所述导电剂包括导电炭黑和单壁碳纳米管；优选地，所述导电炭黑与所述单壁碳纳米管的质量比为：(1-20):1。基于相同的专利技术构思，本专利技术还提供了一种硅碳负极的制备方法，包括以下步骤：(1)在集流体上涂覆活性材料层浆料；(2)在集流体的活性材料层上涂覆功能涂层浆料，得到硅碳负极；所述功能涂层浆料采用以下方法制备得到：将吡咯单体分散于包含单壁碳纳米管的溶液中制备得到功能涂层浆料；在反应过程中，所述吡咯单体聚合形成聚吡咯，所述聚吡咯与所述单壁碳纳米管形成三维网状导电网络。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述包含单壁碳纳米管的溶液中还包含羧甲基纤维素锂，在反应过程中，所述吡咯单体聚合形成聚吡咯，所述聚吡咯与所述单壁碳纳米管和所述羧甲基纤维素锂形成三维网状导电网络。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述包含单壁碳纳米管的溶液中还包含乳化剂和有机酸；所述乳化剂为十六烷基三甲基溴化铵；和/或，所述有机酸选自草酸、酒石酸、柠檬酸或戊二酸中的一种；优选地，所述乳化剂、所述有机酸与所述吡咯单体的摩尔比为：1:(0.4-1):(0.2-2)。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述包含单壁碳纳米管的溶液中还包含引发剂；所述引发剂为过硫酸铵；优选地，所述引发剂与所述吡咯单体的摩尔比为：1:1。从上面所述可以看出，本专利技术的硅碳负极具有以下有益效果：本专利技术在硅碳负极的活性材料层上涂覆功能涂层，该功能涂层包括聚吡咯和单壁碳纳米管，聚吡咯和单壁碳纳米管自身具有导电性，添加到硅碳负极中能够提高硅碳负极导电性；另外聚吡咯与单壁碳纳米管形成三维网状导电网络，三维网状导电网络对硅碳负极的体积膨胀具有笼络作用，以抑制硅碳负极的体积膨胀，从而提高硅系锂离子电池的循环性能、安全性及大电流充放电能力。本专利技术提供的硅碳负极的制备方法，制造工艺简单，可实现大规模工业化应用。附图说明图1为本专利技术的硅碳负极的结构示意图；图2为本专利技术的功能涂层的结构示意图；其中，1-集流体，2-活性材料层，3-功能涂层。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，本专利技术的一个实施例提供了一种硅碳负极，包括集流体1、涂覆于集流体1上的活性材料层2和涂覆于活性材料层2上的功能涂层3；功能涂层3包括聚吡咯和单壁碳纳米管，聚吡咯和单壁碳纳米管形成三维网状导电网络。作为一个实施例，聚吡咯(Ppy)属于导电聚合物的一种，自身具有导电性；单壁碳纳米管(SWCNT)由单层石墨片同轴卷绕构成，其侧面由碳原子六边形排列组成，两端由碳原子的五边形封顶。SWCNT具有优异的力学、电学、光学等性能，将Ppy与SWCNT混合后添加到硅碳负极中能够提高硅碳负极的导电性，另外聚吡咯与单壁碳纳米管形成三维网状导电网络，三维网状导电网络对硅碳负极的体积膨胀具有笼络作用(如图2所示)，以抑制硅碳负极的体积膨胀。因此，在活性材料层2上涂覆功能涂层3抑制了硅系锂离子电池的硅碳负极的体积膨胀，并提高了硅碳负极的导电性能。作为一个实施例，Ppy为纳米线网络结构，该纳米线网络结构中包括许多Ppy纳米线，这些Ppy纳米线几乎具有相同的直径(60-90nm)，这些Ppy纳米线通过一些交联点连接在一起形成纳米线网络结构。当Ppy与SWCNT混合时，SWCNT插入到Ppy的纳米线网络结构中，形成Ppy纳米线网络包覆SWCNT的结构，即形成三维网状导电网络。作为一个实施例，所述功能涂层3还包括羧甲基纤维素锂(CMC-Li)，Ppy与SWCNT和CMC-Li形成三维网状导电网络，当CMC-Li、Ppy与SWCNT混合时，CMC-Li和SWCNT均会插入到Ppy的纳米线网络结构中，形成Ppy纳米线网络包覆CMC-Li和SWCNT的结构，即形成三维网状导电网络。CMC-Li本身具有粘结性，可以使形成的三维网状导电网络更加牢固，而且在功能涂层3中添加CMC-Li，能够使功能涂层3与活性材料层2的结合更牢固，而且研究发现，在功能涂层3中添加CMC-Li可以提高大功率充放电性能。作为一个实施例，Ppy、SWCNT与CMC-Li的质量比为：(40-60):(20-50):(0.5-10)，在该比例范围内，当CMC-Li、Ppy与SWCNT混合时，不但能够形成三维网状导电网络，而且能够更好地抑制硅碳负极的体积膨胀和提高硅碳负极的导电性能；如果Pp本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳负极，其特征在于，包括集流体、涂覆于所述集流体上的活性材料层和涂覆于所述活性材料层上的功能涂层；/n所述功能涂层包括聚吡咯和单壁碳纳米管，所述聚吡咯与所述单壁碳纳米管形成三维网状导电网络。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极，其特征在于，包括集流体、涂覆于所述集流体上的活性材料层和涂覆于所述活性材料层上的功能涂层；
所述功能涂层包括聚吡咯和单壁碳纳米管，所述聚吡咯与所述单壁碳纳米管形成三维网状导电网络。


2.根据权利要求1所述的硅碳负极，其特征在于，所述功能涂层还包括羧甲基纤维素锂，所述聚吡咯与所述单壁碳纳米管和所述羧甲基纤维素锂形成三维网状导电网络；
优选地，所述聚吡咯、所述单壁碳纳米管与所述羧甲基纤维素锂的质量比为：(40-60):(20-50):(0.5-10)。


3.根据权利要求1所述的硅碳负极，其特征在于，所述活性材料层包括硅碳负极材料、导电剂和粘结剂；
优选地，所述硅碳负极材料、所述导电剂和所述粘结剂的质量比为：(80-99.5):(0.1-10):(0.1-10)。


4.根据权利要求3所述的硅碳负极，其特征在于，所述硅碳负极材料包括氧化亚硅和石墨；
优选地，所述氧化亚硅占所述硅碳负极材料的质量百分比为5-25％。


5.根据权利要求3所述的硅碳负极，其特征在于，所述导电剂选自单壁碳纳米管、石墨烯、导电石墨、导电炭黑、科琴黑或碳纤维中的至少一种；
和/或，所述粘结剂选自聚丙烯酸、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、海藻酸钠、氟化橡胶或丙烯腈多元共聚物中的至少两种。


6.根据权利要求5所述的硅碳负极，其特征在于，所述导电剂包括导电炭黑和单壁碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙敏敏，范欢欢，
申请(专利权)人：桑德新能源技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11