一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池技术

本发明专利技术提供一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池，方法包括以下步骤：将阵列排布的可纺碳纳米管采用阵列拉膜的同时依次浸入酸溶液和硅基纳米材料分散液中，再喷洒聚合物分散液，加捻，收集，得到无集流体硅基负极。本发明专利技术以阵列碳纳米管膜为基底，通过界面自组装方法将活性硅基纳米材料均匀地负载在碳纳米管搭接形成的孔隙间，有利于提高负极的克容量。加捻后的碳纳米管三维网状结构可以有效缓解硅的膨胀，而且避免了集流体的使用，从而显著提高了锂离子电池的能量密度和循环性能，无集流体硅基负极的克容量为987～2753mAh/g；电池的能量密度为380～420Wh/Kg，电池循环200次后，容量保持率为73～93％。容量保持率为73～93％。

【技术实现步骤摘要】
一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池。

技术介绍

[0002]随着社会经济的发展，纺织电池在便携式和可穿戴电子产品中得到广泛应用，目前主流的方向是制造纤维锂离子电池，其直径可达数十至数百微米，因此它们可以很容易地编织到可穿戴和透气的纺织品中，从而满足各种可穿戴电子产品的电力需求。
[0003]负极常用集流体为铜导线，负载的活性物质通常为石墨、硬碳和硅基材料等。使用石墨(克容量370mAh/g)作为活性物质时，由于石墨较低的克容量，且集流体会占据一部分的体积和质量，导致电池的能量密度较低；使用硅(克容量3600mAh/g)及硅基材料作为活性物质时，由于硅材料充放电过程中体积膨胀过大，导致电池的循环性能恶劣。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池，该硅基负极无需使用集流体，能够有效提高锂离子电池的能量密度。
[0005]本专利技术提供了一种无集流体硅基负极的制备方法，包括以下步骤：
[0006]将阵列排布的可纺碳纳米管采用阵列拉膜的同时依次浸入酸溶液和硅基纳米材料分散液中，再喷洒聚合物分散液，加捻，收集，得到无集流体硅基负极；
[0007]所述酸溶液为体积比2.5～3.2:1的浓硫酸和浓硝酸的混合液；
[0008]所述硅基纳米材料分散液中硅纳米材料选自硅、氧化硅、硅合金和硅基材料中的一种或多种；
[0009]所述聚合物分散液中的聚合物为聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、丁苯橡胶、聚乙烯和聚丙烯中的一种或多种。
[0010]在本专利技术中，所述酸溶液为体积比3:1的浓硫酸和浓硝酸的混合液。
[0011]在本专利技术中，所述硅基纳米材料分散液的浓度为0.01～5wt％。
[0012]在本专利技术中，所述聚合物分散液的浓度为0.01～6wt％。
[0013]在本专利技术中，所述硅基纳米材料的直径为5～50nm。具体实施例中，所述硅基纳米材料分散液选自粒径10nm、浓度为2wt％纳米氧化硅分散液；或粒径15nm、浓度为0.8wt％纳米硅分散液；或粒径20nm、浓度为1.0wt％纳米硅铁合金分散液；或粒径5nm、浓度为4wt％纳米硅分散液；或粒径5nm、浓度为2wt％纳米硅分散液。
[0014]在本专利技术中，所述阵列排布的可纺碳纳米管的阵列宽度为5～300mm。具体实施例中，宽度为50mm、40mm、100mm或70mm。
[0015]在本专利技术中，所述硅纳米材料分散液中分散剂选自阳离子表面活性剂；
[0016]所述阳离子表面活性剂选自胺盐类、杂环类和啰盐类中的一种或多种；
[0017]所述硅基纳米材料分散液中溶剂选自乙醇。
[0018]在本专利技术中，所述聚合物分散液中溶剂选自水或易挥发的有机溶剂。
[0019]在本专利技术中，所述加捻的电机转速为50～200rpm。具体实施例中，所述加捻的电机转速为50rpm、80rpm、60rpm或100rpm。
[0020]在本专利技术中，所述无集流体硅基负极的直径为50～300μm。在具体实施例中，所述无集流体硅基负极的直径为150μm、50μm、95μm、55μm或80μm。
[0021]图1为本专利技术制备无集流体硅基负极的流程示意图；由图1可知，将可纺碳纳米管阵列固定于样品台1上，从中拉出碳纳米管薄膜2至加捻装置6，膜层宽度为10～100μm，在拉膜过程中依次通过浸泡装置3、浸泡装置4和喷洒装置5；加捻装置6是将原料丝相互缠绕成线的设备，碳纳米管薄膜通过加捻装置6加捻得到无集流体负极7，并通过收集滚筒8收集成卷。
[0022]在本专利技术中，所述无集流体硅基负极能够继续加捻，得到绳索状纤维，液可以编织成网状结构的复合纤维，拓展其在锂离子电池等领域中的应用。
[0023]本专利技术提供了一种纤维锂离子电池，包括由上述技术方案所述制备方法制备的无集流体硅基负极。
[0024]一种纤维锂离子电池，包括正极、隔膜、电解液、封装体以及上述的负极，隔膜用于分隔所述正极和上述的负极，封装体用于装设正极、负极、隔膜以及电解液。
[0025]本专利技术提供了一种无集流体硅基负极的制备方法，包括以下步骤：将阵列排布的可纺碳纳米管采用阵列拉膜的同时依次浸入酸溶液和硅基纳米材料分散液中，再喷洒聚合物分散液，加捻，收集，得到无集流体硅基负极。本专利技术以阵列碳纳米管膜为基底，通过界面自组装方法将活性硅纳米材料均匀地负载在碳纳米管搭接形成的孔隙间，有利于提高负极的克容量，并且加捻后的碳纳米管三维网状结构可以有效缓解硅的膨胀，从而显著提高了锂离子电池的能量密度和循环性能；本申请通过加捻有序交联的碳纳米管能够形成高导电导热网络，具有较高的模量和韧性，有利于与活性硅基纳米材料形成良好的界面接触，不易脱落，从而提升锂离子电池的倍率性能。实验结果表明：无集流体硅基负极的克容量为987～2753mAh/g；锂离子电池的能量密度为380～420Wh/Kg，电池循环200次后，容量保持率为73～93％。
附图说明
[0026]图1为本专利技术制备无集流体硅基负极的流程示意图，其中，1为样品台，2为碳纳米管膜，3为酸溶液浸泡装置，4为硅纳米材料分散液浸泡装置，5为喷洒装置，6为加捻装置，7为无集流体硅基负极，8为收集滚筒；
[0027]图2为本专利技术实施例1制备的锂离子电池的循环性能测试曲线图。
具体实施方式
[0028]为了进一步说明本专利技术，下面结合实施例对本专利技术提供的一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池进行详细地描述，但不能将它们理解为对本专利技术保护范围的限定。
[0029]预备实施例
[0030]可纺碳纳米管阵列的详细制备过程:
[0031]在石英管式炉通入混合气体(Ar+6％H2)和纯乙烯，二者的流量均为100sccm，其中混合气体为载气，纯乙烯作为碳源，并以Al2O3(10nm)/Fe(1.0nm)薄膜为催化剂，保持温度为750℃，反应15min，得到可纺碳纳米管阵列。
[0032]实施例1
[0033]采用阵列宽度为50mm的可纺碳纳米管阵列，通过阵列拉膜得到碳纳米管薄膜，拉膜的同时将薄膜浸入比例为3:1的浓硫酸/浓硝酸溶液中，随后浸入粒径10nm、浓度为2wt％纳米氧化硅分散液中，最后喷洒粒度为浓度为0.1wt％的聚丙烯酸分散液，并在旋转电机转速为50rpm下对其进行加捻，可得到直径为80μm的无集流体负极。
[0034]将得到的无集流体负极干燥后与金属锂线组装成纤维锂离子半电池，其克容量为987mAh/g。
[0035]将92.5wt％的钴酸锂，2.5wt％的Super
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P，5wt％的聚偏二氟乙烯与N
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甲基吡咯烷酮混合成浆料，将直径60μm的铝线浸泡在上述浆液中，并均匀拉出，依次本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无集流体硅基负极的制备方法，包括以下步骤：将阵列排布的可纺碳纳米管采用阵列拉膜的同时依次浸入酸溶液和硅基纳米材料分散液中，再喷洒聚合物分散液，加捻，收集，得到无集流体硅基负极；所述酸溶液为体积比2.5～3.2：1的浓硫酸和浓硝酸的混合液；所述硅纳米材料分散液中硅纳米材料选自硅、氧化硅、硅合金和硅基材料中的一种或多种；所述聚合物分散液中的聚合物为聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、丁苯橡胶、聚乙烯和聚丙烯中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅基纳米材料分散液的浓度为0.01～5wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物分散液的浓度为0.01～6wt％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅基纳米材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅波，徐雄文，王志斌，
申请(专利权)人：湖南立方新能源科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：