一种自支撑硅碳复合薄膜负极及其制备方法技术

本申请公开了一种自支撑硅碳复合薄膜负极及其制备方法，涉及锂离子电池的技术领域，包括n层纳米片层和n

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑硅碳复合薄膜负极及其制备方法


[0001]本申请涉及锂离子电池负极材料的
，尤其是涉及一种自支撑硅碳复合薄膜负极及其制备方法。

技术介绍

[0002]高能量密度、持久的循环稳定性的锂离子电池负极材料一直是科学界研究的热点之一。目前传统的石墨负极由于容量较低，限制了锂离子电池的发展，因此需要寻找新的替代材料来代替传统的石墨负极材料。而硅的理论比容量比石墨高出十倍，并且具有低的工作电位、来源广等特点，使得硅成为下一代锂离子电池研究的焦点。
[0003]虽然硅负极材料在锂离子电池中的发展潜力巨大，但是在目前的应用中还存在着不少的挑战，硅负极在脱锂和嵌锂的过程中，会发生较大的体积膨胀，从而容易导致硅负极材料的开裂和破碎。硅结构的破碎会导致硅材料和集流体之间的接触变差，进而使得硅负极材料的循环性能逐渐变差，从而之约了硅负极材料在锂离子电池中的发展。为了解决上述的问题，目前的研究中主要是制备出硅的新型复合材料，但是其具有制备工艺复杂、成本高、使用强酸强碱等，不利于产业化，因此制备出电学性能良好且循环稳定性好的硅负极材料仍然存在研究的空间。

技术实现思路

[0004]第一方面，本申请提供一种自支撑硅碳复合薄膜负极，将硅纳米颗粒所形成的层通过化学键连接于两层纳米片层之间，且纳米片层选自二维碳基材料，在这种层状结构中，硅纳米颗粒化学键连接于二维碳基材料之间，能够抑制硅纳米颗粒的位移和脱落，从而提高了电极的结构稳定性；另外，硅纳米颗粒发生体积膨胀和收缩时，层状的二维碳基材料之间的间隙能够为硅纳米颗粒提供足够的膨胀空间，并且随着硅纳米颗粒的体积变化而变化，因此能够有效的适应硅负极大的体积膨胀，并减少电极发生开裂的情况。
[0005]本申请采用如下的技术方案：一种自支撑硅碳复合薄膜负极，包括n层纳米片层和n
‑
1层纳米颗粒层，所述n为≥2的整数，每层所述纳米颗粒层设置于两层所述纳米片层之间；所述纳米片层由二维导电材料组成；所述纳米颗粒层包括分散相和连续相；所述分散相为硅纳米颗粒；所述连续相为碳材料。
[0006]通过采用上述技术方案，硅纳米颗粒层位于纳米片层之间，在该结构中不需要使用传统的集流体和粘合剂，通过简单的流延法即可以得到所述的层状结构，并且在这种自支撑硅碳复合薄膜负极中，通过化学连接将硅材料均匀地锚定在纳米片中间，能够抑制硅纳米颗粒的位移和脱落，提高电极的结构稳定性；层状的二维导电材料之间的间隙能够为硅纳米颗粒提供足够的膨胀空间，并且随着硅纳米颗粒的体积变化而变化，得到的硅负极
材料具有优异的电化学性能和良好的循环性能。
[0007]可选的，所述二维导电材料选自石墨烯、氧化石墨烯和MXenen中的一种或多种的混合物。
[0008]通过采用上述技术方案，石墨烯、氧化石墨烯或者MXenen能够有效地适应硅纳米颗粒的膨胀和收缩，并加速电极中离子和电子的快速传输，提高电学性能。
[0009]可选的，所述硅纳米颗粒的平均粒径为20
‑
300nm。
[0010]通过采用上述技术方案，在该范围的硅纳米颗粒具有更好的结构稳定性和电学性能。
[0011]第二方面，本申请提供一种自支撑硅碳复合薄膜负极的制备方法。
[0012]一种自支撑硅碳复合薄膜负极的制备方法，包括以下步骤；S1、将所述二维导电材料分散于第一碳源溶液中，得到悬浮液一；将所述硅纳米颗粒分散于第二碳源溶液中得到悬浮液二；S2、将步骤S1获得的悬浮液一和悬浮液二交替地涂覆于流延板上，第一层和最后一层均为悬浮液一，烘干获得初始薄膜；S3、将步骤S2中得到的初始薄膜在惰性气体的氛围下于800
‑
1200℃进行热处理1
‑
5h，得到所述自支撑硅碳复合薄膜负极材料。
[0013]通过采用上述技术方案，本方法通过简单的流延法进行制备，不需要使用传统的集流体和粘合剂，且能够大幅提升锂离子电池的能力密度，并且这种制备方法简便，成本低，易于大规模生产；第一碳源溶液能够将纳米片粘结在一起，后续后面的流延操作，第二碳源溶液能够有效的将硅纳米颗粒和纳米片层连接在一起，经过热处理后还能够在硅纳米颗粒的表面形成碳包覆层，从而提高负极材料的电学性能。
[0014]可选的，所述第一碳源溶液选自羧甲基纤维素溶液，所述第一碳源溶液浓度为0.1
‑
10wt％。
[0015]通过采用上述技术方案，羧甲基纤维素溶液能够更好的将纳米片粘结在一起，方便后续的流延，也使得流延出来的涂覆层结构更稳定。
[0016]可选的，所述二维导电材料和第一碳源溶液的重量比为1:1
‑
20。
[0017]可选的，所述第二碳源溶液中的碳源选自沥青粉、酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂和煤焦油中的一种或多种的混合物，所述第二碳源溶液的浓度为0.1
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5wt％。
[0018]可选的，所述悬浮液一和悬浮液二交替地涂覆于流延板上时，每层涂膜的厚度为10
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100μm。
[0019]可选的，所述悬浮液一和悬浮液二交替地涂覆于流延板上时，每次涂覆后保持5
‑
30min。
[0020]综上所述，本申请包括以下至少一种有益效果：1.本专利技术中的自支撑硅碳复合薄膜负极中，通过化学连接将硅纳米颗粒均匀地锚定在纳米片层中间，能够抑制硅纳米颗粒的位移和脱落，提高电极的结构稳定性，制备出的负极材料具有高的比容量，且无需使用传统的集流体和粘合剂，能够大幅提升锂离子电池的能量密度；2.本专利技术中自支撑硅碳复合薄膜负极具有优异的自我调节功能，纳米片层中的纳米片之间的间隙能够为硅纳米颗粒提供足够的膨胀空间，并且随着硅纳米颗粒的体积变化
而变化，因此能够有效的适应硅负极大的体积膨胀，并加速电极中离子和电子的快速传输，保证了电极结构的完整性，提高硅负极的电化学性能；3.本专利技术使用流延法制备这种自支撑硅碳复合薄膜负极，制备流程简单温和，兼具大规模生产的能力，具有广阔的前景。
附图说明
[0021]图1是本申请自支撑硅碳复合薄膜的结构示意图；图2是本申请实施例一中硅碳复合薄膜的照片示意图；图3是本申请实施例一中硅碳复合薄膜的断面结构电镜图；图4是本申请实施例一中硅碳复合薄膜负极在0.3C电流密度下的长循环性能；图5是本申请实施例一硅碳复合薄膜负极的首次循环电压曲线；图6是本申请实施例一硅碳复合薄膜负极的倍率性能；图7是本申请实施例一硅碳复合薄膜负极的高负载性能。
[0022]附图标记说明：1、纳米片层；2、硅纳米颗粒；3、碳包覆层。
具体实施方式
[0023]实施例1本实施例自支撑硅碳复合薄膜负极的制备方法，包括以下步骤；(1)、将10mg羧甲基纤维素溶解于50ml去离子水中，再加入80mg石墨烯粉，强力超声分散5min后持续搅拌5h得到悬浮液一。
[0024](2)、将200mg沥青粉加入到50ml的丙酮中持续搅拌直至完全溶解，再加入100mg本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑硅碳复合薄膜负极，其特征在于：包括n层纳米片层和n
‑
1层纳米颗粒层，所述n为≥2的整数，每层所述纳米颗粒层设置于两层所述纳米片层之间；所述纳米片层由二维导电材料组成；所述纳米颗粒层包括分散相和连续相；所述分散相为硅纳米颗粒；所述连续相为碳材料。2.根据权利要求1所述的一种自支撑硅碳复合薄膜负极，其特征在于，所述二维导电材料选自石墨烯、氧化石墨烯和MXenen中的一种或多种的混合物。3.根据权利要求1所述的一种自支撑硅碳复合薄膜负极，其特征在于，所述硅纳米颗粒的平均粒径为20
‑
300nm。4.一种如权利要求1
‑
3任意一项所述的自支撑硅碳复合薄膜负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；S1、将所述二维导电材料分散于第一碳源溶液中，得到悬浮液一；将所述硅纳米颗粒分散于第二碳源溶液中得到悬浮液二；S2、将步骤S1获得的悬浮液一和悬浮液二交替地涂覆于流延板上，第一层和最后一层均为悬浮液一，烘干获得初始薄膜；S3、将步骤S2中得到的初始薄膜在惰性气体的氛围下于800
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1200℃进行热处理1
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5h，得到所述自支撑硅碳复合薄膜负极材料。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗贺斌，赵晓东，王银水，罗贺珏，
申请(专利权)人：福建蓝海黑石新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：