一种硅碳复合极片、其制备方法及用途技术

本发明专利技术提供了一种硅碳复合极片、其制备方法及用途，所述的硅碳复合极片包括预锂化泡沫集流体，所述的预锂化泡沫集流体表面依次层叠设置有硅碳材料层、有机聚合物层和石墨烯层；所述的预锂化泡沫集流体包括泡沫集流体，以及沉积于其表面和内部的锂盐化合物。本发明专利技术通过泡沫集流体预锂化提升硅碳的首次效率，及其在极片层间涂敷有机聚合物改善存储性能及其外层的石墨烯提升倍率性能及其加工性能。层的石墨烯提升倍率性能及其加工性能。层的石墨烯提升倍率性能及其加工性能。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合极片、其制备方法及用途


[0001]本专利技术属于负极材料制备
，涉及一种硅碳复合极片、其制备方法及用途。

技术介绍

[0002]目前，商业化锂离子电池的负极主要采用天然石墨、人造石墨等碳质材料，其理论容量只有372mAh/g，相对比较低，石墨负极的理论克容量为372mAh/g，通过材料制造体系及材料使用体系二者的共同努力，目前石墨负极在全电池中的克容量发挥已经达到355mAh/g，达到理论值的95％以上，石墨负极的应用已经接近极限。已不能满足如富锂材料、镍锰尖晶石高电压材料等高能量正极材料的要求，也满足不了市场对锂离子电池高容量、高循环性能、高倍率性能的需要，极大地限制了电池整体容量的进一步提升。为了满足高容量锂离子电池的需求，研究开发可替代碳材料的高比容量负极材料已经变得十分迫切和必要。
[0003]而硅材料具有较高的比容量，达到4200mAh/g，且储量丰富、成本低廉，成为目前替代天然石墨和人造石墨的最有前途的锂离子电池负极材料，但是在充放电过程中，极片膨胀率高，造成其循环性能迅速下降，影响其电化学性能，同时其硅碳材料首次效率低，限制其全电池正极克容量的发挥。而极片涂覆技术则是一种提高极片能量密度及其安全性能的最新技术，即在极片表面涂覆一种物质，即可以提升极片的能量密度，又可以改善其倍率性能并兼顾到材料的循环，存储性能。
[0004]CN107819105A公开了一种硅碳负极极片的制作方法，包括如下步骤：将硅碳负极浆料均匀涂覆在铜箔集流体的两面得到硅碳负极极片，其中，铜箔集流体上带有均匀分布的微孔，铜箔集流体的一面为A面，另一面为B面；涂覆工艺为：先在A面涂覆重量不超过1/4面密度的硅碳负极浆料，红外烘干，再在A面涂覆剩余的硅碳负极浆料，烘干，然后涂覆B面，烘干得到硅碳负极极片；或先在A面涂覆重量不超过1/4面密度的硅碳负极浆料，红外烘干，然后涂覆B面，烘干，再在A面涂覆剩余的硅碳负极浆料，烘干得到硅碳负极极片。
[0005]CN109786665A公开了一种硅碳复合负极极片及其制备方法，该硅碳复合负极极片，包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体表面的硅碳负极活性层，硅碳负极活性层为硅碳负极活性层一或硅碳负极活性层二；硅碳负极活性层二包括硅碳负极活性材料层及钛酸锂活性材料层；一种硅碳复合负极极片的制备方法，包括以下步骤：(1)将粘结剂一加入水中，得到导电胶一；(2)得到捏合混合物一；(3)得到负极浆料一；(4)将负极浆料一涂覆在负极集流体表面上，得到硅碳复合负极极片。
[0006]CN105406039A公开了一种硅碳负极浆料及其制备方法，该硅碳负极浆料组分包括丙烯腈多元共聚LA型水性电极粘结剂、炭黑Super
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p导电剂、单臂碳纳米管悬浮乳液、硅碳/碳纳米管复合负极材料和去离子水。该负极浆料制备方法是：(1)丙烯腈多元共聚LA型水性电极粘结剂与去离子水加入行星搅拌机中搅拌，制备粘结剂溶液静置备用；(2)炭黑Super
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p导电剂粉体与单臂碳纳米管悬浮乳液放入行星球磨机中球磨湿混；(3)混合好的两种导电剂与硅碳/碳纳米管复合负极材料放入行星搅拌机中进行稠料搅拌；(4)加入粘结剂溶液混合搅拌，最后加入去离子水搅拌调节负极浆料粘度，浆料过筛。
[0007]但在真正的使用过程中，硅碳负极存在很多先天的“不足”，具体表现在：在充放电过程中，硅的体积会膨胀100～300％，不断的收缩膨胀会造成硅负极材料的粉末化，严重影响电池寿命；其次，硅的不断膨胀，在电池内部产生很大的应力，这种应力对极片造成挤压，循环多次后可能出现极片断裂的情况；而且也很有可能造成电池内部孔隙率的降低，减少锂离子移动通道，造成锂金属的析出，影响电池安全性。此外，硅的导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，从而降低其首次库伦效率。同时，由于电池能量密度的提升，硅碳负极很容易出现由于瞬间电流偏大造成的安全问题，包括上述硅膨胀带来的析锂问题，都造成硅碳负极不如石墨负极安全。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种硅碳复合极片、其制备方法及用途，本专利技术通过泡沫集流体预锂化提升硅碳的首次效率，及其在极片层间涂敷有机聚合物改善存储性能及其外层的石墨烯提升倍率性能及其加工性能。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种硅碳复合极片，所述的硅碳复合极片包括预锂化泡沫集流体，所述的预锂化泡沫集流体表面依次层叠设置有硅碳材料层、有机聚合物层和石墨烯层。
[0011]所述的预锂化泡沫集流体包括泡沫集流体，以及沉积于其表面和内部的锂盐化合物。
[0012]本专利技术通过在泡沫集流体的内部和表面沉积锂，不但可以提高硅碳材料的克容量发挥和首次效率，同时又能提高充放电过程中锂离子的传输速率，提高其硅碳复合极片的倍率性能及其能量密度，而且泡沫集流体具有较大的网孔结构，可以储存和释放电解液，提高其循环性能。在层间设置有机聚合物层，聚合物材料具有较高的柔韧性，改善电芯卷绕过程中的加工工艺；同时聚合物材料保护极片干燥、紫外线照射过程中，内核锂盐化合物的氧化，同时聚合物材料又溶解于电解液，在充放电过程中，不影响锂离子的嵌出。
[0013]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的硅碳材料层、有机聚合物层和石墨烯层的厚度比为(20～50):(80～200):(2～10)，例如可以是20:80:2、20:100:4、30:120:5、40:150:8、50:170:9或50:200:10，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0014]优选地，所述的泡沫集流体为泡沫铜或泡沫镍。
[0015]优选地，所述的泡沫集流体的孔隙率为40～55％，例如可以是40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％或55％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0016]优选地，所述的泡沫集流体的厚度为20～50μm，例如可以是20μm、22μm、24μm、26μm、28μm、30μm、32μm、34μm、36μm、38μm、40μm、42μm、44μm、46μm、48μm或50μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0017]第二方面，本专利技术提供了一种如第一方面所述的硅碳复合极片的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：
[0018](Ⅰ)通过电化学法在泡沫集流体的内部和表面沉积锂盐化合物，得到预锂化泡沫
集流体；
[0019](Ⅱ)在预锂化泡沫集流体表面依次涂覆硅氧浆料和聚合物混合液，经干燥后分别形成硅碳材料层和有机聚合物层；
[0020](Ⅲ)将预锂化泡沫集流体转移至加热装置中并向加热装置内通入甲烷，在高温条件和紫外照射下，甲烷还原为碳原子，并在有机聚合物层表面生长石墨烯层，得到硅碳复合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合极片，其特征在于，所述的硅碳复合极片包括预锂化泡沫集流体，所述的预锂化泡沫集流体表面依次层叠设置有硅碳材料层、有机聚合物层和石墨烯层；所述的预锂化泡沫集流体包括泡沫集流体，以及沉积于其表面和内部的锂盐化合物。2.根据权利要求1所述的硅碳复合极片，其特征在于，所述的硅碳材料层、有机聚合物层和石墨烯层的厚度比为(20～50):(80～200):(2～10)；优选地，所述的泡沫集流体为泡沫铜或泡沫镍；优选地，所述的泡沫集流体的孔隙率为40～55％；优选地，所述的泡沫集流体的厚度为20～50μm。3.一种权利要求1或2所述的硅碳复合极片的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：(Ⅰ)通过电化学法在泡沫集流体的内部和表面沉积锂盐化合物，得到预锂化泡沫集流体；(Ⅱ)在预锂化泡沫集流体表面依次涂覆硅氧浆料和聚合物混合液，经干燥后分别形成硅碳材料层和有机聚合物层；(Ⅲ)将预锂化泡沫集流体转移至加热装置中并向加热装置内通入甲烷，在高温条件和紫外照射下，甲烷还原为碳原子，并在有机聚合物层表面生长石墨烯层，得到硅碳复合极片。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的沉积过程包括：在三电极体系中，以泡沫集流体作为工作电极，锂片作为对电极，采用循环伏安法在泡沫集流体内部和表面沉积锂盐，经洗涤干燥后得到预锂化泡沫集流体。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的三电极体系中的电解液为锂盐溶液；优选地，所述的电解液为二氟草酸锂溶液；优选地，所述的二氟草酸锂溶液的浓度为0.1～0.2mol/L；优选地，采用循环伏安法在泡沫集流体内部和表面沉积锂盐5～15周。6.根据权利要求3
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5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中，在预锂化泡沫集流体表面涂覆硅氧浆料，经干燥辊压后形成硅碳材料层；优选地，所述的硅氧浆料采用如下方法制备得到：将硅碳负极材料、第一粘结剂、第二粘结剂、导电剂和水混合均匀后得到所述的硅氧浆料；优选地，所述的硅碳负极材料、第一粘结剂、第二粘结剂、导电剂和水的质量比为(90～95):(1～3):(2～5):(1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓锋，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：