一种多孔硅电极复合材料及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔硅电极复合材料及其加工方法，制备时先将多孔硅粉与氧化石墨烯复合，得到石墨烯复合硅粉，在该步骤中将多孔硅粉嵌入氧化石墨烯片层，氧化石墨烯独特的片层结构能够有助于电解液的浸润和离子传输，同时也能避免合金化反应过程中多孔硅粉彼此碰撞导致的损耗；接着在其表面包覆酚醛树脂碳化，以形成外层碳壳

【技术实现步骤摘要】
一种多孔硅电极复合材料及其加工方法


[0001]本专利技术涉及电极材料
，具体为一种多孔硅电极复合材料及其加工方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，随着科技的进步和发展，由于锂离子电池具有高容量、循环寿命长、安全性好等优点，其广泛应用于电子设备、储能等多个领域中，具有广泛的应用前景。
[0003]现如今锂离子电池负极材料多用石墨，其相对于其他负极材料来说，原材料广泛，且易于加工，因此应用较为广泛，但石墨的理论能量密度低，其限制了锂离子电池能量密度提升；因而硅基材料逐渐进入我们的视野，但普通纯硅的稳定性较差，在循环过程中会出现体积膨胀，使电极粉化，从而影响电极的实际应用。
[0004]基于该情况，本申请公开了一种多孔硅电极复合材料及其加工方法，以解决该技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种多孔硅电极复合材料及其加工方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种多孔硅电极复合材料的加工方法，包括以下步骤：
[0008](1)取多孔硅粉和去离子水，超声分散20～30min，得到多孔硅分散液，加入聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，搅拌20～30min，洗涤收集产物，60～70℃下真空干燥10～20h，得到预处理硅粉；
[0009]取氧化石墨烯和去离子水，超声分散20～30min，得到石墨烯分散液；将预处理硅粉加入石墨烯分散液中，超声分散50～60min，静置10～20min，收集产物，60～70℃下真空干燥10～12h，得到石墨烯复合硅粉；
[0010](2)取石墨烯复合硅粉和去离子水，超声分散15～20min，加入氨水、间苯二酚和甲醛，反应30～40min，加入超支化聚酰亚胺溶液，继续反应20～30min，再加入丙酮，静置30～40min，离心收集产物，依次采用去离子水、无水乙醇洗涤，真空干燥，干燥后转移至700～710℃下煅烧3～3.5h，得到碳包覆多孔硅；
[0011]所述间苯二酚、甲醛的摩尔比为1：(2～3)，所述石墨烯复合硅粉和间苯二酚的质量比为(4～5)：1；所述氨水用量为间苯二酚摩尔质量的0.3％，所述去离子水用量为间苯二酚摩尔质量的8％。
[0012](3)取聚多巴胺溶液、聚丙烯酸凝胶混合，搅拌10～12h，加入超支化聚酰亚胺溶液，继续搅拌20～24h，得到粘结剂；
[0013]取粘结剂、碳包覆多孔硅和导电剂混合，搅拌均匀，加入NMP调节粘度，粘度调节为4000～5000mpa
×
s，得到涂布浆料；将涂布浆料均匀涂布至集流体铜箔上，60℃下真空干燥
10～12h，冷却后切割成圆片，110～120℃真空干燥2～3h，得到成品。
[0014]较优化的方案，步骤(3)中，所述聚多巴胺溶液、聚丙烯酸凝胶、超支化聚酰亚胺溶液的质量比为2：2：1。
[0015]较优化的方案，所述超支化聚酰亚胺溶液的制备步骤为：取二甲基乙酰胺和2,4,6
‑
三氨基嘧啶混合，氮气气氛下搅拌5～10min，温度为25℃，加入联苯四甲酸二酐，继续反应48～50h，加热升温至160～165℃，加入二甲苯，继续反应5～6h，冷却至室温得到。
[0016]较优化的方案，所述2,4,6
‑
三氨基嘧啶和联苯四甲酸二酐的摩尔比为1：(1.2～1.5)。
[0017]较优化的方案，步骤(3)中，所述导电剂为乙炔黑和炭黑，质量比为1：1；所述粘结剂、碳包覆多孔硅和导电剂的质量比为1：3：1。
[0018]较优化的方案，步骤(3)中，所述聚多巴胺溶液由多巴胺和Tris盐酸混合，遮光环境中搅拌20～24h得到；所述聚丙烯酸凝胶的制备步骤为：取聚丙烯酸粉末和去离子水，搅拌混合20～24h，加入氢氧化钠，搅拌至形成凝胶，得到聚丙烯酸凝胶。
[0019]较优化的方案，步骤(2)中，煅烧时以2～3℃/min升温速率升温至700～710℃；煅烧气氛为氩气、氢气混合气体，氩气、氢气体积比为19：1。
[0020]较优化的方案，步骤(1)中，所述氧化石墨烯、预处理硅粉的质量比为1：2000；所述多孔硅分散液、聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的体积比为25：2。
[0021]较优化的方案，根据以上任一项所述的一种多孔硅电极复合材料的加工方法加工的电极复合材料。
[0022]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：
[0023]本专利技术公开了一种多孔硅电极复合材料及其加工方法，制备时先将多孔硅粉与氧化石墨烯复合，得到石墨烯复合硅粉，在该步骤中将多孔硅粉嵌入氧化石墨烯片层，氧化石墨烯独特的片层结构能够有助于电解液的浸润和离子传输，同时也能避免合金化反应过程中多孔硅粉彼此碰撞导致的损耗；接着在其表面包覆酚醛树脂碳化，以形成外层碳壳
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石墨烯复合硅粉内核层的核壳结构，在石墨烯复合硅粉外侧包覆碳壳，一方面外层碳壳能够保证在循环过程中构建稳定的SEI膜，另一方面，该外层碳壳与内层核并未紧密接触，其中还存在有空隙，该空隙能够为硅粉的锂化提供膨胀空间，而不会破坏外层碳壳，以此来提高多孔硅的循环稳定性和容量保持率。
[0024]在该方案基础上，本申请以聚多巴胺、聚丙烯酸、超支化聚酰亚胺交联，制备得到一种粘附性能优异的粘结剂，超支化聚酰亚胺在制备时，通过控制其反应参数“2,4,6
‑
三氨基嘧啶和联苯四甲酸二酐的摩尔比为1：(1.2～1.5)”，此时该超支化聚酰亚胺同时具有氨基终端和酐基终端，聚多巴胺、超支化聚酰亚胺、聚丙烯酸能够相互交联并形成稳定的三维结构，对碳包覆多孔硅进行固定和附着，保证了电极片的完整性，从而保证其能够稳定循环。
[0025]本方案在制备碳层时，其具体步骤为：取石墨烯复合硅粉和去离子水，超声分散后加入氨水、间苯二酚和甲醛，反应一段时间加入超支化聚酰亚胺溶液，由于整个反应时间较短，石墨烯复合硅粉表面存在不同聚合度的聚合物，内层的聚合物的聚合度较低，在后续加入丙酮后可被溶解，形成空隙，外层的聚合物聚合度较高，因而保持完好，从而实现核层
‑
壳层之间的空隙，以保证后续硅粉膨胀。
[0026]在该过程中，方案中引入了超支化聚酰亚胺溶液，由于超支化聚酰亚胺溶液是反应一段时间之后添加，因此大部分与在外层聚合，碳化后以形成含氮碳壳，能够提高多孔硅的导电性能，而在反应过程中，内部也不可避免会有部分聚酰亚胺与酚醛树脂交联，但其聚合度较小，在丙酮溶解后，碳壳内表面粗糙位点较多，能够与多孔硅粉多位点接触，以改善电化学性能。
[0027]本专利技术公开了一种多孔硅电极复合材料及其加工方法，工艺设计合理，方案组分配比适宜，制备得到的多孔硅电极复合材料不仅具有较高的导电性，而且其循环稳定性较好，极片稳定性较好，整体加工方法简单，可实现规模化生产，具有较高的实用性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔硅电极复合材料的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)取多孔硅粉和去离子水，超声分散，得到多孔硅分散液，加入聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液，搅拌20～30min，洗涤收集产物，真空干燥，得到预处理硅粉；取氧化石墨烯和去离子水，超声分散，得到石墨烯分散液；将预处理硅粉加入石墨烯分散液中，超声分散，静置，收集产物，真空干燥，得到石墨烯复合硅粉；(2)取石墨烯复合硅粉和去离子水，超声分散，加入氨水、间苯二酚和甲醛，反应30～40min，加入超支化聚酰亚胺溶液，继续反应20～30min，再加入丙酮，静置30～40min，离心收集产物，依次采用去离子水、无水乙醇洗涤，真空干燥，干燥后转移至700～710℃下煅烧3～3.5h，得到碳包覆多孔硅；(3)取聚多巴胺溶液、聚丙烯酸凝胶混合，搅拌10～12h，加入超支化聚酰亚胺溶液，继续搅拌20～24h，得到粘结剂；取粘结剂、碳包覆多孔硅和导电剂混合，搅拌均匀，加入NMP调节粘度，得到涂布浆料；将涂布浆料均匀涂布至集流体铜箔上，60℃下真空干燥10～12h，冷却后切割成圆片，110～120℃真空干燥2～3h，得到成品。2.根据权利要求1所述的一种多孔硅电极复合材料的加工方法，其特征在于：步骤(3)中，所述聚多巴胺溶液、聚丙烯酸凝胶、超支化聚酰亚胺溶液的质量比为2：2：1。3.根据权利要求1所述的一种多孔硅电极复合材料的加工方法，其特征在于：所述超支化聚酰亚胺溶液的制备步骤为：取二甲基乙酰胺和2,4,6
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三氨基嘧啶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，
申请(专利权)人：无锡纳斯凯半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：