硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池领域，并具体公开了硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用。该负极材料具有预设数量的硅/石墨涂层，并且预设数量的硅/石墨涂层中硅含量从上至下先增大后减少，呈梭形梯度分布，从而在保证负极材料载量的情况下，缓解由于大变形导致的负极材料上表面的开裂以及负极与集流器界面的脱粘。本发明专利技术提供的硅含量呈梭形梯度分布的负极材料能够有效地缓解硅负极在充放电过程中体积膨胀所导致的失效问题，提高硅/石墨电极的循环稳定性，而且适用于商业化的锂离子电池，进而提高锂离子电池的循环稳定性和能量密度。量密度。量密度。

【技术实现步骤摘要】
硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，更具体地，涉及硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在所有储能体系中，锂离子电池因具有能量密度高、工作电压适宜、循环寿命长、环境友好等优点，被认为是最有前景的储能体系。锂离子电池不仅在数码产品、智能手机、笔记本电脑等便携式电子设备领域占据主导地位，同时在动力汽车和电化学储能电池领域也表现出令人瞩目的发展前景。然而，为了满足大规模储能领域以及高功率领域系统例如插电式电动汽车(PEV)或混合动力汽车(HEV)的需求，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。开发出具有高能量密度、高功率密度、高稳定性以及较高安全性能的电极材料是锂离子电池能否得到商业应用的重要参数指标。
[0003]作为锂离子电池的重要组成部分，负极材料也是决定锂离子二次电池的能量密度和循环寿命的重要因素之一。目前，常见的锂离子电池主要以石墨作为负极，但其较低的理论比容量(372mA h g-1)，严重地限制了锂离子电池在高能量密度、高功率密度领域的发展。因此，开发出具有较高能量、高功率、高稳定性的新型锂离子电池负极材料成为科研工作者研究的热点。作为一代新型锂离子电池负极材料的替代者，硅基(Si)负极由于具有较高的理论比容量(4200mA h g-1
)，被认为是下一代锂离子电池的理想负极。然而，硅负极在锂化/去锂化过程中涉及巨大的体积变化，导致其循环稳定性较差，制约了硅基负极的实际应用。
[0004]大量报道关于碳材料与硅材料结合的实例，其中大部分研究工作着重于设计硅材料的组成和结构，如利用碳材料包覆硅纳米颗粒，其电极材料的电化学性能得到了很大的改善，但这些电极材料在电化学性能测试的过程中会出现体积膨胀，致使电极的机械稳定性、电极内部活性颗粒的电接触以及电极表面SEI膜的稳定性受到影响。同时，这些复合材料的制备工艺往往较为复杂，制备条件苛刻，不利于工业化大规模生产，限制了实际应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本专利技术提供了硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用，其中该负极材料中硅/石墨涂层的硅含量从上至下先增大后减小，呈梭形梯度分布，从而能够有效地缓冲硅负极在充放电过程中的体积膨胀，进而提高锂离子电池的循环稳定性和能量密度，使其适用于商业化的锂离子电池负极材料。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，该负极材料具有预设数量的硅/石墨涂层，并且所述预设数量的硅/石墨涂层中硅含量从上至下先增大后减少，呈梭形梯度分布。
[0007]作为进一步优选地，所述硅/石墨涂层的层数为3层～7层。
[0008]作为进一步优选地，每层所述硅/石墨涂层的厚度为20μm～30μm。
[0009]作为进一步优选地，相邻两层所述硅/石墨涂层中硅含量的差值为5％～35％。
[0010]作为进一步优选地，所述硅/石墨涂层中最低硅含量为5％，其最高硅含量为40％。
[0011]按照本专利技术的另一方面，提供了一种上述硅含量呈梭形梯度分布的负极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0012]S1制备硅含量不同的硅/石墨浆料；
[0013]S2将硅含量最低的硅/石墨浆料涂覆在基底材料上，然后烘干获得具有第一硅/石墨涂层的第一电极；
[0014]S3将硅含量第二低的硅/石墨浆料涂覆在所述第一电极上，然后烘干获得具有第二硅/石墨涂层的第二电极，并且所述第一硅/石墨涂层与第二硅/石墨涂层的厚度相同；
[0015]S4按照硅含量由低到高的顺序将剩余的硅/石墨浆料进行涂覆，直至完成硅含量最高的硅/石墨浆料的涂覆工作；然后再按照硅含量由高到底的顺序将硅/石墨浆料进行涂覆，以获得预设数量的硅/石墨涂层，最终制得所述硅含量呈梭形梯度分布的负极材料。
[0016]作为进一步优选地，步骤S1中制备硅含量不同的硅/石墨浆料包括如下子步骤:
[0017]S11将硅纳米颗粒、石墨以及导电炭黑研磨混合均匀获得固体颗粒；
[0018]S12向步骤S11获得的固体颗粒中添加羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶溶液，以制得硅/石墨浆料。
[0019]作为进一步优选地，步骤S2中，烘干温度为60℃～70℃。
[0020]按照本专利技术的又一方面，提供了一种上述硅含量呈梭形梯度分布的负极材料在锂离子电池中的应用。
[0021]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0022]1.本专利技术提供了一种硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，其中通过设置硅含量先增大后减小的硅/石墨涂层，能够有效解决缓冲高容量电极材料在充、放电过程中体积膨胀所导致的电池性能的衰退与失效的问题，在保证负极材料载量的情况下，缓解由于大变形导致的负极材料上表面的开裂以及负极与集流器界面的脱粘，进而获得循环稳定性较好的硅/石墨电极，该负极表现出高的体积比容量和体积能量密度；
[0023]2.尤其是，本专利技术通过对硅含量呈梭形梯度分布的负极材料中硅/石墨涂层的层数、厚度以及硅含量进行优化，能够有效地提高梭形梯度电极层与层之间的光滑度、活性物质的面载量以及电极的存储容量；
[0024]3.同时，本专利技术提供了硅含量呈梭形梯度分布的负极材料的制备方法，该方法制备过程简单，有效地节约了时间与制作成本，适合大规模工业化生产和应用。
附图说明
[0025]图1是本专利技术优选实施例中硅含量呈梭形梯度分布的电极材料的制备过程；
[0026]图2是本专利技术优选实施例提供的硅含量呈梭形梯度分布的电极材料的SEM图；
[0027]图3是本专利技术优选实施例提供的硅含量呈梭形梯度分布的电极材料的电化学性能测试结果。
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]如图1所示，本专利技术实施例提供了一种硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，该负极材料具有预设数量的Si/G涂层(硅/石墨涂层)，并且预设数量的Si/G涂层中硅含量从上至下先增大后减少，呈梭形梯度分布，从而有效解决缓冲高容量电极材料在充、放电过程中体积膨胀所导致的电池性能的衰退与失效的问题，进而获得循环稳定性较好的Si/G电极，使得该负极材料表现出高的体积比容量和体积能量密度。
[0030]进一步，Si/G涂层的层数为3层～7层，每层Si/G涂层的厚度为20μm～30μm。在Si/G涂层总厚度一定的情况下，层数越多，层与层间的硅含量差值越小，Si含量的分布更加趋向于梭形分布。但是如果层数过多或者厚度过大，则会影响锂离子在电极材料中的迁移，导致本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，其特征在于，该负极材料具有预设数量的硅/石墨涂层，并且所述预设数量的硅/石墨涂层中硅含量从上至下先增大后减少，呈梭形梯度分布。2.如权利要求1所述的硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，其特征在于，所述硅/石墨涂层的层数为3层～7层。3.如权利要求1所述的硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，其特征在于，每层所述硅/石墨涂层的厚度为20μm～30μm。4.如权利要求1所述的硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，其特征在于，相邻两层所述硅/石墨涂层中硅含量的差值为5％～35％。5.如权利要求1～4任一项所述的硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，其特征在于，所述硅/石墨涂层中最低硅含量为5％，其最高硅含量为40％。6.一种如权利要求1～5任一项所述的硅含量呈梭形梯度分布的负极材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1制备硅含量不同的硅/石墨浆料；S2将硅含量最低的硅/石墨浆料涂覆在基底材料上，然后烘干获得具有第一硅/石墨涂层的第一电极；S...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辉，张文，桂思炜，艾鑫，孙永明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：