硅碳负极极片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种硅碳负极极片的制备方法，首先将多孔硅与有机碳氮源等制备成浆料涂覆在集流体的表面，再进行热解处理，在集流体的表面原位生成氮掺杂的硅碳材料，形成硅碳负极极片，避免了将硅碳材料制备成浆料然后涂覆在集流体的表面这一过程中对硅碳材料的结构和形貌的破坏，并且氮掺杂的硅碳材料由于氮元素的掺杂，提升了硅碳负极极片的电子传导性和离子传导性，对涂布极片在保护性气体氛围下热解处理，将有机碳氮源碳化，同时也避免了负极集流体发生氧化。该制备方法得到的硅碳负极极片，硅碳材料的结构形貌均一性好，极片充放电过程的体积变化小，循环性能良好，在循环1000圈后容量保持率仍在84％以上。圈后容量保持率仍在84％以上。圈后容量保持率仍在84％以上。

【技术实现步骤摘要】
硅碳负极极片及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种硅碳负极极片及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池是采用含有锂元素的材料作为电极，依赖锂离子在正极和负极之间移动来工作的一类电池。锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和循环寿命长等诸多优点，因而在便携式电子设备、动力电池和储能电池等领域得到了极大的关注。随着电动自行车、电动汽车、混合动力汽车还有大型储能系统的快速发展，对锂离子电池的循环稳定性、能量密度、充放电性能等性能均提出了更高的要求。
[0003]传统锂离子电池的负极材料以碳材料为主，如天然石墨、人造石墨、石墨化中间相碳微球等，然而碳材料的容量现已接近其理论容量(372mAh/g)，碳负极材料成为锂离子电池容量提升的瓶颈。硅作为锂离子电池负极材料之一，因其较高的理论比容量(4200mAh/g)、环境友好、储量丰富等特点，因而被认为是极有潜力的新一代锂离子电池负极材料。然而，由于硅的电子电导率和离子电导率较低，导致其电化学反应的动力学性能较差；单纯硅在充放电过程中还存在严重的体积膨胀，导致材料颗粒分化、脱落，因此循环稳定性较差。针对硅负极材料存在的问题，目前的改善方式主要是采用硅碳负极材料涂布于集流体形成负极极片，但是硅碳材料的结构形貌在制备极片过程中容易被破坏，从而影响了硅碳材料的性能。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要提供一种结构稳定且循环性能好的硅碳负极极片及其制备方法与应用。
[0005]本专利技术的一个方面，提供了一种硅碳负极极片的制备方法，包括以下步骤：
[0006]将多孔硅、有机碳氮源、粘结剂、分散剂及溶剂超声搅拌，得到浆料，所述有机碳氮源选自聚糠醇、氨基胍、尿素、脂肪胺及芳香胺中的至少一种；
[0007]将所述浆料涂布于集流体上，干燥收卷，得到涂布极片；
[0008]将所述涂布极片在保护性气体氛围中热解处理，冷却得到硅碳负极极片。
[0009]在其中一些实施例中，所述多孔硅的粒径为50nm～10μm，孔隙率为20％～80％，孔径为10nm～500nm，比表面积为50m2/g～300m2/g。
[0010]在其中一些实施例中，所述粘结剂选自丁苯橡胶、聚丙烯腈多元共聚物乳液及聚偏四氟乙烯中的至少一种。
[0011]在其中一些实施例中，所述分散剂选自羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯醇天然油脂、高碳醇或二甲基硅油、二甲基亚砜及乙酸乙酯中的至少一种。
[0012]在其中一些实施例中，所述溶剂选自N
‑
甲基吡咯烷酮、N，N
‑
二甲基甲酰胺、去离子水及无水乙醇中的至少一种。
[0013]在其中一些实施例中，所述多孔硅、有机碳氮源、粘结剂、分散剂及溶剂的质量比为1：(0.05～1)：(0.015～0.1)：(0.015～0.08)：(1～2.5)。
[0014]在其中一些实施例中，所述集流体为铜箔、碳布、镍箔及钛箔中的一种。
[0015]在其中一些实施例中，所述超声搅拌的时间为1h～5h，超声的频率为20kHz～50kHz。
[0016]在其中一些实施例中，所述热解处理的温度为300℃～900℃，时间为0.5h～3h。
[0017]在其中一些实施例中，在所述将涂布极片在保护性气体氛围中热解处理的步骤之前，还包括以下步骤：
[0018]将所述涂布极片辊压分切。
[0019]本专利技术的另一方面，还提供了根据上述的硅碳负极极片制备方法得到硅碳负极极片。
[0020]本专利技术的又一方面，还提供了一种锂离子电池，其负极极片采用上述的硅碳负极极片。
[0021]上述硅碳负极极片的制备方法，首先将多孔硅与有机碳氮源等制备成浆料涂覆在集流体的表面，再进行热解处理，在集流体的表面原位生成氮掺杂的硅碳材料，形成硅碳负极极片，避免了将硅碳材料制备成浆料然后涂覆在集流体的表面这一过程中对硅碳材料的结构和形貌的破坏，硅碳材料的结构稳定，并且氮掺杂的硅碳材料由于氮元素的掺杂，提升了硅碳负极极片的电子传导性和离子传导性，对涂布极片在保护性气体氛围下热解处理，将有机碳氮源碳化，同时也避免了负极集流体发生氧化。该制备方法得到的硅碳负极极片，硅碳材料的结构形貌均一性好，极片充放电过程的体积变化小，循环性能良好，在循环1000圈后容量保持率仍在84％以上。
附图说明
[0022]图1为本专利技术一实施方式硅碳负极极片的制备方法流程示意图。
具体实施方式
[0023]为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。
[0024]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0025]参阅图1，为本专利技术一实施方式的硅碳负极极片的制备方法流程示意图。一种硅碳负极极片的制备方法，包括以下步骤S100～S140：
[0026]步骤S100：将多孔硅、有机碳氮源、粘结剂、分散剂及溶剂超声搅拌，得到浆料。有机碳氮源是指含有碳、氮元素的有机物，在本专利技术实施方式中，有机碳氮源选自聚糠醇、氨基胍、尿素、脂肪胺及芳香胺中的至少一种。
[0027]步骤S120：将浆料涂布于集流体上，干燥收卷，得到涂布极片。
[0028]步骤S140：将涂布极片在保护性气体氛围中热解处理，冷却得到硅碳负极极片。
[0029]上述硅碳负极极片的制备方法，首先将多孔硅与有机碳氮源等制备成浆料涂覆在集流体的表面，再进行热解处理，在集流体的表面原位生成氮掺杂的硅碳材料，形成硅碳负极极片，避免了将硅碳材料制备成浆料然后涂覆在集流体的表面这一过程中对硅碳材料的结构和形貌的破坏，并且氮掺杂的硅碳材料由于氮元素的掺杂，提升了硅碳负极极片的电子传导性和离子传导性，对涂布极片在保护性气体氛围下热解处理，将有机碳氮源碳化，同时也避免了负极集流体发生氧化。该制备方法得到的硅碳负极极片，硅碳材料的结构形貌均一性好，极片充放电过程的体积变化小，循环性能良好，在循环1000圈后容量保持率仍在84％以上。
[0030]多孔硅是一种新型的一维纳米光子晶体材料，具有纳米硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构，可以通过电化学阳极腐蚀或者化学腐蚀单晶硅而形成。由于具有多孔结构，在充放电过程中能够一定程度地缓解极片体积膨胀的问题，避免极片材料破坏，保证锂离子电池的循环稳定性。在其中一些实施例中，多孔硅的粒径为50nm～10μm，孔隙率为20％～80％，孔径为10nm～500nm，比表面积为50m2/g～300m2/g。该尺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将多孔硅、有机碳氮源、粘结剂、分散剂及溶剂超声搅拌，得到浆料，所述有机碳氮源选自聚糠醇、氨基胍、尿素、脂肪胺及芳香胺中的至少一种；将所述浆料涂布于集流体上，干燥收卷，得到涂布极片；将所述涂布极片在保护性气体氛围中热解处理，冷却得到硅碳负极极片。2.根据权利要求1所述的硅碳负极极片的制备方法，其特征在于，所述多孔硅的粒径为50nm～10μm，孔隙率为20％～80％，孔径为10nm～500nm，比表面积为50m2/g～300m2/g。3.根据权利要求1所述的硅碳负极极片的制备方法，其特征在于，所述粘结剂选自丁苯橡胶、聚丙烯腈多元共聚物乳液及聚偏四氟乙烯中的至少一种；和/或，所述分散剂选自羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯醇天然油脂、高碳醇或二甲基硅油、二甲基亚砜及乙酸乙酯中的至少一种；和/或，所述溶剂选自N
‑
甲基吡咯烷酮、N，N
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二甲基甲酰胺、去离子水及无水乙醇中的至少一种。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小欢，刘冯新，娄永文，李奎，张明杰，
申请(专利权)人：昆山聚创新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：