网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极，由硅颗粒、有机金属盐导电前驱体和纺丝聚合物组成；以纺丝聚合物为基准，有机金属盐与纺丝聚合物质量比为1：100

【技术实现步骤摘要】
网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极及其制备方法


[0001]本专利技术属于电池
，涉及一种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极，本专利技术还涉及该种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极的制备方法。

技术介绍

[0002]为了实现社会和环境的可持续发展，世界上各个国家都在探索和研究可再生能源和清洁能源。太阳能，风能等都是可替代的绿色清洁能源，但是这些清洁能源不能被直接利用，需要能源存储和转换装置，因而各种电池获得了蓬勃发展。而在其中，锂离子电池由于其具有的能量密度大、循环寿命长、工作电压高、自放电率小、环境友好、比功率大等优势，正在逐渐取代镍氢电池、铅酸电池和镍镉电池等，为清洁能源的储存和广泛使用提供了可能。
[0003]在目前已经商业化的锂离子电池的电极材料中，石墨材料的应用最为广泛，同时技术也最为成熟。但是石墨材料由于其自身的缺陷，已经不能够满足下一代电池的需求。首先，石墨材料的理论比容量过低，仅有372mAh g-1；同时，由于其工作电压过低，容易引发安全问题。硅材料由于具有极高的理论比容量(4200mAh g-1)，较低的电化学反应电压(小于0.5V)，环境友好和资源储量丰富，引起了越来越多研究工作者的重视，被认为是能取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料的最有前景的材料之一。
[0004]尽管硅作为锂离子电池负极材料有着诸多优点，但是与此同时也存在一些问题。由于硅自身的金刚石结构，当锂离子嵌入时会与硅形成锂硅合金，打破原来的结构，所以在循环中嵌锂后硅电极将会发生超过300％的体积膨胀，而当脱锂时，硅负极体积又收缩回去，在不断循环中，如此大的体积变化很快会导致硅负极材料的粉碎化，脱离集电极表面从而失去化学活性，造成锂电池的容量损失。此外在嵌锂时硅负极表面电解液会降解生成一层固态电解质层(SEI膜)包裹着电极，这层固态电解质层也会随着电极的体积变化不断的碎裂再生成，从而不断消耗电解液，导致很低的循环效率和很短的循环寿命。
[0005]因此，为了提高硅负极的循环寿命，防止硅电极膨胀-收缩而导致硅电极粉碎化，亟需研制一种网格型层叠结构纳米导电纤维硅负极及其制备方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极，解决了现有技术的硅颗粒在负极充放电过程中由于体积膨胀而造成的对硅负极的整体结构的破坏，导致电池循环性能差的问题。
[0007]本专利技术的另一目的是提供该种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极的制备方法。
[0008]本专利技术采用的技术方案是，一种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极，由硅颗粒、有机金属盐导电前驱体和纺丝聚合物组成；以纺丝聚合物为基准，有机金属盐与纺丝聚合物质量比为1：100-10，硅粉与纺丝聚合物质量比为1：10-1。
[0009]本专利技术采用的另一技术方案是，一种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极的制备方法，按照以下步骤实施：
[0010]步骤1：制备有机金属盐导电前驱体，
[0011]将金属盐溶解在去离子水与无水乙醇的混合溶剂A中，得到混合溶液A；将混合溶液A放入冰水中水浴搅拌，并加入配体，加入完成后快速搅拌；之后，再向搅拌好的溶液中加入还原剂，搅拌，得到有机金属盐导电前驱体；
[0012]步骤2：制备纺丝溶液，
[0013]将有机金属盐导电前驱体加入到无水乙醇和去离子水的混合溶剂B中，得到混合溶液B；室温下搅拌，后加入纺丝聚合物，室温下搅拌，得到导电纳米纤维的纺丝溶液；
[0014]步骤3：加入硅颗粒，
[0015]在纺丝溶液中加入硅颗粒，搅拌至均匀分散，得到混合溶液C；
[0016]步骤4：进行静电纺丝，
[0017]将混合溶液C注入注射器中，排出气泡，并安装喷丝针头，进行纺丝，用铜箔收集复合纳米纤维膜；
[0018]步骤5：煅烧切片，
[0019]将复合纳米纤维膜进行煅烧，切片，即成。
[0020]本专利技术的有益效果，包括以下几个方面：
[0021]1)用有机金属盐导电前驱体、纺丝溶液与硅颗粒制成带有网格型层叠纤维结构的硅负极材料，能够提升电池的容量。纤维材料煅烧后附着在极板上，防止电极材料的脱落。
[0022]2)制得的硅负极材料具有网格型层叠纤维结构，硅颗粒附着在纳米导电纤维上，由于纤维具有一定的柔韧性，此结构可以维持负极结构在充放电时不至破坏，同时纤维间的空隙能为硅颗粒硅负极充放电过程中的体积膨胀提供足够的空间，容纳硅负极的膨胀，从而避免破坏硅负极的整体结构，进而改善电池的循环性能。
[0023]3)同时网格型层叠结构具有较大的比表面积，能够在硅负极中为电解液提供浸润的场地，改善电池的循环性能。
[0024]4)硅颗粒直接与导电纤维接触，导电纤维又与铜箔接触，使得硅颗粒通过纳米纤维导电网络连接铜箔，提升硅颗粒的接触率，提升电池容量的同时改善了循环性能。
附图说明
[0025]图1是本专利技术制备的网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极的显微结构示意图。
[0026]图中，1.纳米硅颗粒，2.纳米导电纤维网格。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0028]本专利技术的网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极，由硅颗粒、有机金属盐导电前驱体和纺丝聚合物组成。以纺丝聚合物为基准，有机金属盐与纺丝聚合物质量比为1：100-10，硅粉与纺丝聚合物质量比为1：10-1。
[0029]金属盐选用硝酸银、醋酸银、硝酸铜；
[0030]导电前驱体所用氨类配体选用乙醇胺、异丙胺或氨水；
[0031]硅颗粒的粒径为50-500nm。
[0032]本专利技术网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极的制备方法，按照以下步骤实施：
[0033]步骤1：制备有机金属盐导电前驱体，
[0034]将金属盐溶解在去离子水与无水乙醇的混合溶剂A中(金属盐与混合溶剂A的配比为1g/100mL到10g/100mL，去离子水与无水乙醇的配比为1-5：5-1，用量要求较为宽松，不至于过稀或过稠即可。)，得到混合溶液A；将混合溶液A放入冰水中水浴搅拌，并加入配体(乙醇胺、异丙胺或氨水，每毫升配体配制0.5g-5g金属盐)，加入完成后快速搅拌5-50min；之后，再向搅拌好的溶液中加入还原剂(N,N-二甲基甲酰胺或乙二醇，每毫升还原剂配制0.1g-10g金属盐)，搅拌15-50min，得到有机金属盐导电前驱体；
[0035]步骤2：制备纺丝溶液，
[0036]将有机金属盐导电前驱体加入到无水乙醇和去离子水的混合溶剂B中(有机金属盐导电前驱体与混合溶剂B的体积比为1：2-10，去离子水与无水乙醇的配比同样为1-5：5-1。)，得到混合溶液B；室温下搅拌15-50min，后加入纺丝聚合物(聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或PEO)，纺丝聚合物是混合溶液B总质量的5％-40％，室温下搅拌5-20h，得到导电纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极，其特征在于：由硅颗粒、有机金属盐导电前驱体和纺丝聚合物组成；以纺丝聚合物为基准，有机金属盐与纺丝聚合物质量比为1：100-10，硅粉与纺丝聚合物质量比为1：10-1。2.根据权利要求1所述的网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极，其特征在于：所述的金属盐选用硝酸银、醋酸银、硝酸铜；所述的导电前驱体所用氨类配体选用乙醇胺、异丙胺或氨水；所述的硅颗粒的粒径为50-500nm。3.一种网格型层叠结构材料合成成型一体化硅负极的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1：制备有机金属盐导电前驱体，将金属盐溶解在去离子水与无水乙醇的混合溶剂A中，得到混合溶液A；将混合溶液A放入冰水中水浴搅拌，并加入配体，加入完成后快速搅拌；之后，再向搅拌好的溶液中加入还原剂，搅拌，得到有机金属盐导电前驱体；步骤2：制备纺丝溶液，将有机金属盐导电前驱体加入到无水乙醇和去离子水的混合溶剂B中，得到混合溶液B；室温下搅拌，后加入纺丝聚合物，室温下搅拌，得到导电纳米纤维的纺丝溶液；步骤3：加入硅颗粒，在纺丝溶液中加入硅颗粒，搅拌至均匀分散，得到混合溶液C；步骤4：进行静电纺丝，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈银虎，高浩斐，王钰凡，张红，何炫，张学硕，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：