一种高面密度硅碳负极极片制造技术

本发明专利技术涉及硅碳负极极片领域，为解决现有现有技术下锂离子电池能量密度提升有限，且在使用高面密度硅碳负极极片情况下，极片容易出现活性材料涂层与集流体剥离的现象，电池循环容易快速衰减的问题，公开了一种高面密度硅碳负极极片，包括集流体、靠近集流体的第一涂层及涂覆于第一涂层之上的第二涂层，所述的第一涂层包括石墨负极活性材料、导电剂Ⅰ及粘接剂Ⅰ，所述的第二涂层包括硅碳负极活性材料、导电剂Ⅱ、粘接剂Ⅱ及添加剂。本发明专利技术的负极极片的面密度及压实密度大，可提高锂离子电池的能量密度及倍率性能；第一涂层及第二涂层中的多孔碳可缓解硅碳负极在充放电过程中的体积膨胀效应，提高循环性能和使用寿命。提高循环性能和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种高面密度硅碳负极极片


[0001]本专利技术涉及硅碳负极极片领域，尤其涉及一种高面密度硅碳负极极片。

技术介绍

[0002]随着新能源汽车行业的兴起，对高能量密度、高安全性、长循环寿命的锂离子动力电池的需求量日益增加。高能量密度的锂离子动力电池通常具有高单位质量的活性物质和高克容量正/负极材料。使用硅负极替代部分传统石墨负极，可提高负极活性材料的克容量，然而硅在嵌/脱锂过程中会产生剧烈的体积膨胀，导致硅材料易在循环过程中急剧粉化并从极片上脱落，从而失去与集流体间的接触，无法充分发挥硅材料活性。为了提高体积能量密度，通常采用增加极片活性物质涂层厚度或压实密度的方法来提高活性物质的空间占用比率，但厚涂覆层电极极片增加了底层活性物质与电解液的接触距离，延长了锂离子电迁移距离，这导致电解液难以浸润电极片，从而导致电池内阻较大、电池充放电过程的极化电势较高、倍率性能差、低温析锂等一系列问题，不仅使硅碳负极材料的容量发挥受到极大影响，也会造成循环寿命的急速衰减。
[0003]例如，一种在中国专利文献上公开的“锂离子电池负极极片及其制备方法，锂离子电池”，其公告号为CN105914378B，负极极片包括集流体，所述集流体表面沿远离集流体方向依次设有纳米无机材料层、活性物质层，所述纳米无机材料层纳米碳酸钙或碳酸氢钙及石墨烯，所述活性物质层包含硅碳负极材料和空心碳球。该专利技术设置的纳米无机材料层仅起到连接集流体和活性物质层的作用，不能为负极片提供电容量，降低了电极的克容量。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了克服现有技术下锂离子电池能量密度提升有限，且在使用高面密度硅碳负极极片情况下，极片容易出现活性材料涂层与集流体剥离的现象，电池循环容易快速衰减，难以满足使用需求的问题，提供一种高面密度硅碳负极极片。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高面密度硅碳负极极片，所述的高面密度硅碳负极极片包括集流体、靠近集流体的第一涂层及涂覆于第一涂层之上的第二涂层，所述的第一涂层包括石墨负极活性材料、导电剂Ⅰ及粘接剂Ⅰ，所述的第二涂层包括硅碳负极活性材料、导电剂Ⅱ、粘接剂Ⅱ及添加剂。
[0006]本专利技术所提供的负极极片，将纯石墨负极设置为第一涂层，硅碳负极设置为第二涂层，第一涂层可以抑制硅碳负极在充放电过程中的体积膨胀效应，防止硅碳负极活性材料与集流体剥离，并且第一涂层还为负极片提供部分容量，二者结合可提高硅碳负极极片的面密度及压实密度，同时提升锂离子电池的能量密度、循环性能及倍率性能。
[0007]作为优选，所述的第一涂层中的导电剂Ⅰ包含导电石墨，粘接剂Ⅰ为羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液，羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液的质量比为(2～5):(8
‑
16)。
[0008]其中采用层状结构的导电石墨为导电剂及负极活性材料，可提高极片导电性，还
可有效地提高极片的压实密度，可进一步提高锂离子电池的能量密度。
[0009]作为优选，所述的第一涂层中石墨负极活性材料、导电剂Ⅰ及粘接剂Ⅰ的质量比为(85～95):(3～10):(3～5)。
[0010]作为优选，所述的第二涂层中硅碳负极活性材料包含石墨和硅基材料，硅基材料为氧化亚硅、硅纳米线、多孔硅中的一种或多种，硅基材料和石墨的质量比为(1～20):(80～99)。
[0011]硅基材料可为极片提供容量，并且石墨可部分缓解硅基材料的膨胀效应。
[0012]作为优选，所述的第二涂层中导电剂Ⅱ为石墨烯、碳纳米管、导电碳纤维、导电石墨、导电炭黑、乙炔黑中的一种或多种，粘接剂Ⅱ为羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、丁苯橡胶乳液、聚丙烯酸和聚丙烯腈中的一种或多种，硅碳负极活性材料、导电剂Ⅱ、粘接剂Ⅱ的质量比为(85
‑
95):(0.5
‑
1)：(2
‑
5)。
[0013]作为优选，所述的第二涂层中的添加剂为多孔碳，添加剂的质量为第二涂层干粉质量的0.5～5％。
[0014]加入多孔碳，大大地提高第二涂层的孔隙率，提高电解液浸润速率，缩短锂离子传输路径，明显地提高锂离子电池的倍率性能及循环性能，同时孔状结构有利于抑制硅在充放电过程中的体积膨胀效应，防止极片掉粉，提升循环寿命。
[0015]作为优选，所述的多孔碳的制备步骤如下：A、将黄豆渣粉末分散至去离子水中，在密闭容器中进行水热反应，将反应后的溶液离心，用稀盐酸和去离子水交替冲洗后得到沉淀；B、将沉淀置于超临界二氧化碳中干燥，得到水热碳；C、将水热碳用磷酸溶液活化；D、将活化的水热碳在惰性气体保护下煅烧，煅烧后冷却至室温即得多孔碳。
[0016]黄豆渣是富含氮磷元素的生物质纤维素，材料绿色环保可再生。水热反应可使纤维素初步碳化，并且提高粒径均一性。将水热反应后的沉淀用超临界二氧化碳干燥，可提升材料的孔隙率，增大后续活化步骤中与磷酸的接触面积。磷酸溶液活化可增加多孔碳的孔隙率，并为多孔碳提供一定的磷。该方法制备的氮磷掺杂的多孔碳孔隙率高，能够吸收硅材料的膨胀使负极片易被电解液浸润，避免锂枝晶生成破坏电池，并且氮磷掺杂还可提高多孔碳容量，增加负极片的克容量。
[0017]作为优选，所述的制备步骤中，水热反应温度为160～200℃，水热反应时间为8～20h，水热碳与磷酸溶液的质量比为1：(1.5～2.5)，煅烧温度为600～800℃，煅烧时间为1～3h。
[0018]作为优选，所述的第一涂层与第二涂层的厚度比为(0.5～1)：1。
[0019]硅及其氧化物的容量远远高于石墨，因此第二涂层的厚度较大时，极片的容量较大，但第一涂层的厚度较小时，不能发挥其抑制硅碳负极在充放电过程中的体积膨胀效应，防止第二涂层从集流体表面脱落的作用。
[0020]因此，本专利技术具有如下有益效果：(1)负极极片的面密度及压实密度大，提高了锂离子电池的能量密度及倍率性能；(2)抑制硅碳负极在充放电过程中的体积膨胀效应，提高循环性能和使用寿命；(3)多孔碳可减少负极片上锂枝晶的产生，提高负极片的使用寿命及安全性。
具体实施方式
[0021]下面结合具体实施方法对本专利技术做进一步的描述。
[0022]实施例1第一涂层的制备：A、将91.4份的人造石墨、5.0份的导电石墨、1.3份的羧甲基纤维素钠及2.3份的丁苯橡胶乳液混合搅拌均匀，除气泡，均匀涂覆在集流体表面，烘干得到第一涂层极片；第二涂层的制备：A、将85.37份的人造石墨、5.0份的氧化亚硅、0.03份的碳纳米管、0.6份的导电炭黑、1.3份的羧甲基纤维素钠、2.3份丁苯橡胶乳液及5份多孔碳(型号为C196580，比表面积：1300m2/g)混合搅拌均匀，除气泡，均匀涂覆在第一涂层表面，烘干，经过碾压制备得到第一涂层和第二涂层的厚度比为1:1，面密度为220g/m2硅碳负极极片。
[0023]实施例2第一涂层的制备：A、将91.4份的人造石墨、5.0份的导电石墨、1.3份的羧甲基纤维素钠及2.3份的丁苯橡胶乳液混合搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高面密度硅碳负极极片，其特征是，所述的高面密度硅碳负极极片包括集流体、靠近集流体的第一涂层及涂覆于第一涂层之上的第二涂层，所述的第一涂层包括石墨负极活性材料、导电剂Ⅰ及粘接剂Ⅰ，所述的第二涂层包括硅碳负极活性材料、导电剂Ⅱ、粘接剂Ⅱ及添加剂。2.根据权利要求1所述的一种高面密度硅碳负极极片，其特征是，所述的第一涂层中的导电剂Ⅰ包含导电石墨，粘接剂Ⅰ为羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液，羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液的质量比为（2~5）:（8
‑
16）。3.根据权利要求1所述的一种高面密度硅碳负极极片，其特征是，所述的第一涂层中石墨负极活性材料、导电剂Ⅰ及粘接剂Ⅰ的质量比为（85~95）:（3~10）:（3~5）。4.根据权利要求1所述的一种高面密度硅碳负极极片，其特征是，所述的第二涂层中硅碳负极活性材料包含石墨和硅基材料，硅基材料为氧化亚硅、硅纳米线、多孔硅中的一种或多种，硅基材料和石墨的质量比为（1~20）:（80~99）。5.根据权利要求1所述的一种高面密度硅碳负极极片，其特征是，所述的第二涂层中导电剂Ⅱ为石墨烯、碳纳米管、导电碳纤维、导电石墨、导电炭黑、乙炔黑中的一种或多种，粘接剂Ⅱ为羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、丁苯橡胶乳液、聚丙烯酸和聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：田军，陈彬，李星，韩笑，李凡群，
申请(专利权)人：万向一二三股份公司，
类型：发明
国别省市：