一种锂离子电池负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池负极及其制备方法和应用，该锂离子电池负极具有压电效应，负极包括铜箔集流体以及附着在集流体上的负极活性材料、导电剂和粘合剂，其中，基底粘合剂用于浆料制备以得到初始电极，选用与负极活性材料有较强相互作用的PAA粘合剂；涂层聚合物选用聚偏氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池负极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池材料
，具体涉及一种锂离子电池负极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池已广泛应用于手机，电动汽车等日常电子设备，为了提高锂离子电池的使用寿命，提升锂离子电池的充电速率，需要进一步研究和开发具有更高循环稳定性和倍率性能的负极。
[0003]硅作为新型负极材料，理论容量为4200mAh g
‑1，是传统石墨负极(372mAhg
‑1)的11倍，大幅提升了锂离子电池容量；在锂化/去锂化过程中，具有极低电化学电势；硅地球储量高，是锂离子电池罪有前景的负极材料。但在充放电过程中，由于Li
+
的嵌入和脱出，硅负极会发生高达400％的体积膨胀。巨大的体积膨胀会导致负极硅活性颗粒发生严重粉化，电极结构破坏，电极和电解质之间的界面(SEI层)破裂并暴露出新的活性表面，与电解质重复形成连续SEI层，从而消耗电解质和锂离子。较厚SEI层形成增加了锂离子的扩散距离，严重的影响负极的循环寿命和离子电导。
[0004]通过粘合剂构建稳定的硅负极是目前最有经济有效的方法。PAA是最常用的硅负极商业化粘合剂，但由于PAA粘合剂是硬脆的线性聚合物，在硅负极嵌锂和脱锂的过程中无法有效的缓解由于大体积膨胀所造成的内应力，因此在长周循环过程中会出现结构的坍塌。因而，制备具有较高稳定性的硅负极，对提升锂离子电池的性能至关重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种锂离子电池负极及其制备方法和应用，以解决现有技术中，硅负极采用PAA作为粘合剂时，硅负极会出现结构坍塌的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种锂离子电池负极，包括铜箔集流体，所述铜箔集流体外附着有浆料形成的电极片，所述电极片形成的薄膜外包裹有压电涂层；
[0008]所述浆料由负极活性材料、导电添加剂和基底粘合剂组成，所述基底粘合剂为PAA；所述压电涂层为压电聚合物P(VDF
‑
TrFE)。
[0009]本专利技术的进一步改进在于：
[0010]优选的，所述浆料形成的电极片厚度为25μm或50μm。
[0011]优选的，所述负极活性材料为硅基材料或硅基复合材料。
[0012]优选的，导电添加剂为Super P、乙炔黑或科琴黑中的一种。
[0013]一种锂离子电池负极的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1，将PAA溶于水中，形成基底粘合剂溶液，将研磨后的负极活性材料和导电添加剂分散到基底粘合剂溶液中，其中负极活性材料、导电添加剂以及基底粘合剂质量比为
(70～95)：(15～4)：(15～1)，球磨后获得混合均匀的浆料；
[0015]步骤2，将浆料涂覆在铜箔集流体上，浆料干燥后获得初始电极；
[0016]步骤3，将压电聚合物P(VDF
‑
TrFE)溶于N
‑
N二甲基甲酰胺形成压电涂层聚合物溶液，其中压电聚合物P(VDF
‑
TrFE)的质量分数为3％；将压电涂层聚合物溶液涂覆在初始电极的外表面，其中基底粘合剂溶液和压电聚合物P(VDF
‑
TrFE)的质量比为1：(0.1～5)，干燥后获得具有双层粘合剂包裹的负极材料；
[0017]步骤4，将双层粘合剂包裹的负极材料极化后获得锂离子电池负极。
[0018]本专利技术的进一步改进在于：
[0019]优选的，步骤1中，球磨时间为40
‑
60min。
[0020]优选的，步骤2中，干燥温度为55
‑
65℃。
[0021]优选的，步骤3中，干燥温度为110
‑
130℃，干燥时间为2
‑
4h。
[0022]优选的，步骤4中，极化电压为2～8KV，极化时间为10～30min。
[0023]一种上述的锂离子电池负极的应用，所述锂离子电池负极用于组装锂离子半电池，对电极为锂金属；电解液为六氟磷酸锂、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合液；隔膜为聚丙烯微孔隔膜。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]本专利技术公开了一种锂离子电池负极，该锂离子电池负极具有压电效应，负极包括铜箔集流体以及附着在集流体上的负极活性材料、导电剂和粘合剂，其中，基底粘合剂用于浆料制备以得到初始电极，选用与负极活性材料有较强相互作用的PAA粘合剂；涂层聚合物选用聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯(P(VDF
‑
TrFE))，涂覆并渗透到初始电极中与基底粘合剂相互作用形成交联结构，以得到加固的最终电极。该负极具有双层粘合剂结构，作为基底的PAA粘合剂含有大量羧基官能团能够和颗粒表面氧化物上的羟基形成氢键，将活性材料，导电添加剂和集流体粘接在一起，保持电极结构的完整性；外层采用压电聚合物P(VDF
‑
TrFE)进行包覆，与基底粘合剂发生一定的相互作用形成交联网络结构，提高电极结构的稳定性，采用高压电场实现不同的极化状态，当硅负极在嵌锂的过程中发生锂硅合金化反引起不可避免的体积膨胀时，硅颗粒表面涂覆的压电聚合物受到应力挤压可以产生局部电场。在放电过程，压电效应产生的局部电场和外电场方向一致，从而加速锂离子的扩散。同时，由于硅负极体积膨胀而产生的内应力也可以得到一定程度的缓解。因此可以有效的稳定硅负极的结构，从而增强硅基负极材料的倍率性能的同时增强其循环稳定性。双层涂覆工艺操作过程简单，易于实现工业化，该制备方法对于其他负极材料也具有一定参考意义。
[0026]所述负极活性材料为硅基材料及其复合材料；导电添加剂为Super P，乙炔黑或科琴黑中的一种，所述粘合剂包括基底粘合剂和压电涂层聚合物。
[0027]本专利技术还公开了一种锂离子电池负极的制备方法，该制备方法设计双层涂覆结构，通过把压电聚合物涂敷到硅颗粒表面，然后在高压电场实现不同的极化状态，利用硅体积膨胀产生的应力挤压硅表面的压电聚合物。压电聚合物受到挤压后会产生电效应，会在硅颗粒表面产生高的导离子通道，从而可以提高材料的导离子扩散速率，以实现较好的倍率性能。因此，压电聚合物既可以缓解硅颗粒在嵌锂过程中产生的体积膨胀，通过能量转换的方式进行能量耗散，同时产生的局部电场可以加速锂离子的扩散，在增强硅基负极材料的倍率性能的同时增强其循环稳定性。
[0028]本专利技术还公开了一种锂离子电池负极的应用，验证发现，应用了该负极的电池，倍率性能十分优异，即使在12Ag
‑
1(3C，1C＝4000mAh g
‑
1)的高的电流密度下，依然可以放出较高的比容量；电池的循环性能也有明显改善，电池循环200周之后几乎没有容量的衰减。证实了双层粘合剂包裹结构的的负极具有较好的结构稳定性，能够有效将负极材料在充放电过程中大体积膨胀造成的应力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极，其特征在于，包括铜箔集流体，所述铜箔集流体外附着有浆料形成的电极片，所述电极片形成的薄膜外包裹有压电涂层；所述浆料由负极活性材料、导电添加剂和基底粘合剂组成，所述基底粘合剂为PAA；所述压电涂层为压电聚合物P(VDF
‑
TrFE)。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极，其特征在于，所述浆料形成的电极片厚度为25μm或50μm。3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极，其特征在于，所述负极活性材料为硅基材料或硅基复合材料。4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极，其特征在于，导电添加剂为Super P、乙炔黑或科琴黑中的一种。5.一种锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将PAA溶于水中，形成基底粘合剂溶液，将研磨后的负极活性材料和导电添加剂分散到基底粘合剂溶液中，其中负极活性材料、导电添加剂以及基底粘合剂质量比为(70～95)：(15～4)：(15～1)，球磨后获得混合均匀的浆料；步骤2，将浆料涂覆在铜箔集流体上，浆料干燥后获得初始电极；步骤3，将压电聚合物P(VDF
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TrFE)溶于N
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N二甲基甲酰胺形成压电涂层聚合物溶液，其中压电聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋江选，张祯，焦星星，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：