一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法，属于新能源材料技术领域。本发明专利技术所述方法是通过将锂离子电池硅负极材料常用的水性粘结剂羧甲基纤维素钠与聚丙烯酰胺在常温下发生复合反应形成一种新的粘结剂用作锂离子电池硅负极材料。复合改性后的粘结剂含有邻苯二酚结构可以与硅形成双氢键，当活性物质存在硅颗粒时就可以增加活性物质的粘结性，更好的抑制了硅基负极材料的体积变化，同时增加了活性物质对集流体的粘附性，使硅基负极材料不容易粉化脱落。使用本发明专利技术中的复合粘结剂显著增加了锂离子电池的循环稳定性，同时还表现出优越的倍率性能。现出优越的倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法


[0001]本专利技术公开一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法，属于新能源材料


技术介绍

[0002]随着我国汽车以及电子等产业的高度发展，在加重了环境污染的同时，也让能源缺乏危机逐渐显现。为了解决这些问题，新能源的研究是重要并且有意义的。锂离子电池具有高比容量、优异循环效果、无记忆效应等诸多优点，研究高比容量的锂离子电池，对可再生能源及电动汽车的发展有着决定性的作用。
[0003]负极材料作为锂离子电池的关键组成部分之一，对锂离子电池的比容量、倍率性能、循环寿命都有很大的影响。硅材料用作锂离子电池负极理论比容量高达4200mAh/g，是商业化石墨比容量的十多倍，同时硅材料还有嵌锂电位低、储量丰富、成本较低、环境友好等优点。但硅基负极材料完全嵌锂后，体积膨胀高达300%，多次充放电循环累积的应力会使硅基负极材料粉化，同时体积膨胀也会使SEI膜破裂，反复生成SEI膜会消耗锂离子，使电池的比容量降低，循环寿命减少。为了限制硅基负极材料的体积膨胀，粘结剂的作用就至关重要。
[0004]锂离子电池常用的粘结剂有聚偏二氟乙烯（PVDF）和羧甲基纤维素钠（CMC）。然而聚偏二氟乙烯所用的有机溶剂N
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甲基吡咯烷酮（NMP）是有毒的，同时PVDF与CMC两种粘结剂的粘结力不够强，不适用体积变化较大的硅基负极材料。聚丙烯酰胺（PAM）这种粘结剂有较强的粘结力，但是它的分散性不好，用作硅基负极材料容易使硅颗粒团聚。基于上述硅嵌锂体积膨胀问题，相关工作者做了大量研究，许多将羧甲基纤维素钠改性作为粘结剂，例如将羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶复合改性等。
[0005]本专利技术是将CMC与PAM两种粘结剂复合改性产生新的粘结剂，这种复合粘结剂中CMC是为了使有更好的分散性PAM是为了有更强的粘结性，所以为了限制硅基材料的体积膨胀，要求PAM的质量比要高于CMC。这种复合粘结剂用作锂离子电池硅基负极材料，明显改善了电池的首次库伦效率和循环寿命。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法，使用改性后的复合粘结剂制备锂离子电池硅基负极材料，所述粘结剂由羧甲基纤维素钠与聚丙烯酰胺复合改性制备而成，粘结剂中羧甲基纤维素钠的质量百分比为30~50wt%，聚丙烯酰胺的质量百分比为50~70wt%。
[0007]将本专利技术所述复合粘结剂用作锂离子电池硅基负极材料，显著提高了锂离子电池的首次库伦效率和循环寿命。
[0008]作为本专利技术的进一步优选，本专利技术所述锂离子电池硅基负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将羧甲基纤维素钠粉末放入去离子水中密封，然后进行磁力搅拌得到羧甲基纤维素钠溶液。
[0009]（2）称取硅粉作为活性物质，导电炭黑作为导电剂，将两者放入研体中研磨，向研磨好的粉末中滴入羧甲基纤维素钠溶液，研磨均匀。
[0010]（3）向步骤（2）得到的研磨均匀的浆料中加入聚丙烯酰胺颗粒，继续研磨并且加入适量的去离子水让两种粘结剂发生复合反应，直到将浆料研磨均匀，聚丙烯酰胺颗粒完全消失。
[0011]（4）将研磨好的浆料通过涂布机涂布到集流体上，并放入高温干燥箱中干燥，制成锂离子电池负极极片。
[0012]优选的，本专利技术所述的羧甲基纤维素钠是葡萄糖聚合度为100
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2000的纤维素衍生物，相对分子质量242.16，搅拌温度为20℃~80℃，搅拌时间为2~8h。
[0013]优选的，本专利技术所述聚丙烯酰胺是非离子型的，分子量在200万~1400万之间。
[0014]优选的，本专利技术步骤（2）中硅粉纯度为100%，粒径为30nm~50nm。
[0015]优选的，本专利技术所述的活性物质占锂离子电池硅基负极材料的60wt%，导电剂占锂离子电池硅基负极材料的20wt%，粘结剂占锂离子电池硅基负极材料的20wt%。
[0016]优选的，本专利技术所述浆料在集流体上涂布的厚度为10~20微米，制得的负极极片在高温干燥箱中干燥的温度为60~80℃，干燥时间为12~24h。
[0017]本专利技术的有益效果：本专利技术中的羧甲基纤维素钠（CMC）与聚丙烯酰胺（PAM）价格都相对便宜，容易获取，且复合粘结剂的制备方法简单，操作方便，可以大规模生产。
[0018]本专利技术中的复合粘结剂既能够使硅颗粒均匀分散，不团聚，又能够有效抑制硅在嵌锂时的体积膨胀；显著提高了锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、还有它的循环寿命，有很大的发展前景。
[0019]本专利技术所述复合改性后的粘结剂含有邻苯二酚结构可以与硅形成双氢键，当活性物质存在硅颗粒时就可以增加活性物质的粘结性，更好的抑制了硅基负极材料的体积变化，同时增加了活性物质对集流体的粘附性，使硅基负极材料不容易粉化脱落。
附图说明
[0020]图1为实施例1 、对比实施例1、对比实施例2、对比实施例3中锂离子电池的充放电循环曲线图。
[0021]图2为实施例1 、对比实施例1、对比实施例2、对比实施例3中锂离子电池的充放电倍率曲线图。
[0022]图3为实施例1中锂离子电池的充放电性能测试曲线图。
[0023]图4为实施例1中锂离子电池的循环伏安测试曲线图。
[0024]图5为实施例1中锂离子电池的电化学阻抗图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。
[0026]本专利技术实施例中主要是以30nm的硅粉作为活性物质，导电炭黑作为导电剂，然后用不同种类的粘结剂，在质量比为6:2:2的比例下制作锂离子电池负极极片，来对比不同粘结剂锂离子电池的电化学性能，以此来突出本专利技术的复合粘结剂的优点，具体实例如下。
[0027]实施例1本实例是以50wt%羧甲基纤维素钠（CMC）与50wt%聚丙烯酰胺（PAM）复合成为复合粘结剂作为锂离子电池硅基负极材料的粘结剂，制作锂离子电池硅基负极极片的具体操作步骤如下：（1）在天平上称取0.05g的羧甲基纤维素钠粉末置于10ml烧杯中，再用滴管向烧杯中加入3ml的去离子水，放入磁子，盖上保鲜膜，常温下将烧杯放在磁力搅拌器上搅拌2h，使羧甲基纤维素钠粉末完全溶于去离子水。
[0028]（2）在天平上称取30nm的硅粉0.3g，同时称取导电炭黑0.1g，将两者放入研体中研磨20min使其混合均匀。
[0029]（3）用滴管将步骤（1）中搅拌好的羧甲基纤维素钠溶液滴入步骤（2）混合均匀的粉末中，继续研磨20min，将浆料研磨均匀，使硅颗粒分散均匀。
[0030]（4）在天平上称取0.05g的聚丙烯酰胺颗粒，将其加入步骤（3）研磨均匀的浆料中，继续研磨20min让两种不同的粘结剂复合发生反应，并用滴管滴入适量的去离子水，使浆料的粘稠度适中（可以涂布上去即可），聚丙烯酰胺颗粒完全溶解，然后在涂布机上涂布。
[0031]（5）涂布时，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，使用改性后的复合粘结剂制备锂离子电池硅基负极材料，所述粘结剂由羧甲基纤维素钠与聚丙烯酰胺复合改性制备而成，粘结剂中羧甲基纤维素钠的质量百分比为30~50wt%，聚丙烯酰胺的质量百分比为50~70wt%。2.根据权利要求1所述锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）将羧甲基纤维素钠粉末放入去离子水中密封，然后进行磁力搅拌得到羧甲基纤维素钠溶液；（2）称取硅粉作为活性物质，导电炭黑作为导电剂，将两者放入研体中研磨，向研磨好的粉末中滴入羧甲基纤维素钠溶液，研磨均匀；（3）向步骤（2）得到的研磨均匀的浆料中加入聚丙烯酰胺颗粒，继续研磨并且加入适量的去离子水让两种粘结剂发生复合反应，直到将浆料研磨均匀，聚丙烯酰胺颗粒完全消失；（4）将研磨好的浆料通过涂布机涂布到集流体上，并放入高温干燥箱中干燥，制成锂离子电池负极极片。3.根据权利要求1所述锂离子电池硅基负极材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨银辉，袁涛，高志新，高梓豪，夏高令，雷子漪，吴诗裕，祁宇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：