本申请涉及一种硅基柔性自支撑电极、其制备方法、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。该硅基柔性自支撑电极包括层叠设置的导电纤维层和硅基复合颗粒层，其中，硅基复合颗粒层包括硅基颗粒和导电剂，且硅基柔性自支撑电极的底层为导电纤维层。本申请提供的自支撑电极具有良好的柔韧性和较高的能量密度；硅基复合颗粒层的设计使得自支撑电极中具有较高的硅含量；而且在硅基复合颗粒层中，导电剂包覆在硅基颗粒的表面，既提高了硅基颗粒间的导电性，又降低了电解液与硅基颗粒的直接接触，减少副反应；同时，导电纤维层可以容纳循环过程中硅基颗粒的体积膨胀，交替层叠的结构可以缓解硅基颗粒膨胀时导致的活性材料脱落的问题。解硅基颗粒膨胀时导致的活性材料脱落的问题。解硅基颗粒膨胀时导致的活性材料脱落的问题。
【技术实现步骤摘要】
硅基柔性自支撑电极、其制备方法、锂离子电池及装置
[0001]本申请涉及电池领域，具体地讲，涉及一种硅基柔性自支撑电极、其制备方法、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。
技术介绍
[0002]在锂离子电池中，负极材料承担着嵌锂和脱锂的作用，负极材料的性能好坏对锂离子电池的性能具有极大的影响。目前市场化的锂离子电池负极材料是石墨，其比容量较低(仅372mAh/g)，能量密度较低，难以满足电动汽车、移动电子设备等领域对高性能电池的要求，因此如何能获得具有高比容量以及良好循环性能的负极材料是锂离子电池材料的重要研究方向。
[0003]Si负极比传统石墨负极比容量大10倍，在这个能源短缺的时代，Si负极锂离子电池技术前景诱人。然而，虽然硅的能量密度较高，是一款极具吸引力的负极材料，但是，硅与锂交互时，体积膨胀高达320％，巨大的体积变化易导致活性物质从集流体中脱落，从而降低与集流体间的电接触，造成硅电极在充放电过程中发生循环性能下降和容量衰减的问题。
技术实现思路
[0004]鉴于
技术介绍
中存在的问题，本申请提供一种硅基柔性自支撑电极、其制备方法、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。
[0005]第一方面，本申请提供一种硅基柔性自支撑电极，包括层叠设置的导电纤维层和硅基复合颗粒层，其中，所述硅基复合颗粒层包括硅基颗粒和导电剂，且所述硅基柔性自支撑电极的底层为导电纤维层。
[0006]相对于现有技术而言，本申请提供的硅基柔性自支撑电极，以导电纤维层和硅基复合颗粒层层叠形成多层薄膜的柔性电极。首先，本申请提供的自支撑电极具有良好的柔韧性，由于不需要集流体和粘结剂，因而可以提升电池的能量密度。其次，硅基复合颗粒层的设计使得自支撑电极中具有较高的硅含量；而且在硅基复合颗粒层中，导电剂包覆在硅基颗粒的表面，既提高了硅基颗粒间的导电性，又降低了电解液与硅基颗粒的直接接触，减少副反应的发生。同时，导电纤维层可以容纳循环过程中硅基颗粒的体积膨胀，而导电纤维层与硅基复合颗粒层交替层叠的结构可以缓解硅基颗粒膨胀时导致的活性材料脱落的问题。
[0007]在一些实施方式中，所述导电纤维层可以为一个或多个，且多个导电纤维层之间两两不相邻；所述硅基复合颗粒层也可以为一个或多个，且多个硅基复合颗粒层之间两两不相邻。
[0008]在一些实施方式中，所述硅基复合颗粒层中，所述硅基颗粒和所述导电剂的质量比为1：(0.1～0.95)；可选的，所述硅基颗粒和导电剂的质量比为1：(0.3～0.88)。在此范围内，一方面有利于提高极片的导电性，从而有利于硅基材料容量的发挥和循环性能的提升；
另一方面有利于降低极片厚度的反弹率。
[0009]在一些实施方式中，所述硅基颗粒包括硅颗粒、硅颗粒与碳的复合颗粒、SiOx颗粒、SiOx与碳的复合颗粒、SiOx纳米线和SiOx纳米管中的至少一种，其中，0<x<2。
[0010]在一些实施方式中，所述导电剂包括碳纳米管、氧化石墨烯和导电聚合物中的至少一种，其中，所述导电聚合物选自聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺中的至少一种。
[0011]在一些实施方式中，所述导电纤维层包含N掺杂的碳纤维和含有导电聚合物的复合纤维中的至少一种。其中，N掺杂的碳纤维在碳纤维的基础上进行了N元素的掺杂，提高了碳纤维的导电性，同时还增加了对锂离子的吸附性，因此具有较好的导离子性，从而提升电池的循环性能。含有导电聚合物的复合纤维层在保证导电性的前提下，不用经过热处理工序可以直接得到自支撑电极，制备过程方便简单，降低成本，节约能源。
[0012]在一些实施方式中，所述导电纤维层中的纤维直径为200nm～1000nm；可选的，所述导电纤维层中的纤维直径为200nm～700nm。当纤维的直径在上述范围内时，纤维层具有较佳的力学性能和导电性，从而有利于提高电池的循环性能。
[0013]在一些实施方式中，所述导电纤维层的孔隙率为35％～70％；可选的，所述导电纤维层的孔隙率为40％～60％。孔隙率在此范围内，有利于电解液的浸润，锂离子和电子的传输，从而有利于电池容量的发挥和循环性能的提升。
[0014]在一些实施方式中，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的质量比为1：(0.5～6)；可选的，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的质量比为1：(1～4)。导电纤维层和硅基复合颗粒层的质量比在此范围内，一方面有利于提升极片中硅的含量，从而有利于提升自支撑电极的克容量，另一方面可以使得导电纤维层对于极片膨胀具有较好的容纳效果。
[0015]在一些实施方式中，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的总层数为2～30层；可选的，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的总层数为7～19层。导电纤维层和硅基复合颗粒层的总层数在此范围内，可以使得极片的厚度不至于过大，从而有利于负极容量的发挥和循环性能，同时也有助于减少极片厚度的反弹率。
[0016]在一些实施方式中，所述硅基柔性自支撑电极的顶层为导电纤维层。一方面，顶层的导电纤维层同样能起到容纳和缓冲硅基颗粒在循环中的膨胀的作用，使得整个极片的厚度变化降低，提升电池的循环性能。另一方面，顶层纤维层与底层导电纤维层将中间硅基复合颗粒层“夹”在中间，防止活性物质的脱落。再一方面，在纺制顶层导电纤维层时，顶层导电纤维层会覆盖在硅基复合颗粒层上，相当于顶层导电纤维层的最底部在硅基复合颗粒层的顶部形成了一层包覆层，进一步降低电解液与硅基复合颗粒层顶部的直接接触。
[0017]在一些实施方式中，所述硅基柔性自支撑电极中硅的质量百分含量为15％～75％。本申请中，硅基复合颗粒层中具有较高硅含量，决定了整个硅基柔性自支撑电极也具有较高硅含量，保证了电池容量的提升。
[0018]在一些实施方式中，所述硅基柔性自支撑电极可以为补锂电极。电极中具有合适孔隙率的导电纤维层，可促进熔融锂进入自支撑电极中，从而易于实现很好的补锂效果。
[0019]第二方面，本申请提供第一方面所述的硅基柔性自支撑电极的制备方法，包括如下步骤：(1)分别制备导电纤维的前驱体溶液和硅基复合颗粒的前驱体溶液；(2)利用静电纺丝装置，以所述导电纤维的前驱体溶液进行静电纺丝，得到导电纤维层；利用静电喷雾装置，以所述硅基复合颗粒的前驱体溶液进行静电喷雾，得到硅基复合颗粒层；交替进行所述
静电纺丝和所述静电喷雾，得到层叠设置的多层结构；(3)对所述多层结构进行冷压、可选的碳化步骤、可选的补锂步骤，得到硅基柔性自支撑电极；所述硅基柔性自支撑电极包括层叠设置的导电纤维层和硅基复合颗粒层。
[0020]在本申请提供的制备方法中，所述导电纤维的前驱体溶液为N掺杂的碳纤维的前驱体溶液或含有导电聚合物的复合纤维的前驱体溶液。
[0021]在本申请提供的制备方法中，所述N掺杂的碳纤维的前驱体溶液包含成碳聚合物和含氮聚合物；其中，所述成碳聚合物选自聚丙烯腈、聚酰亚胺、沥青和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种，所述含氮聚合物选自胶原和聚苯胺类中的至少一种。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种硅基柔性自支撑电极，其特征在于，包括层叠设置的导电纤维层和硅基复合颗粒层，其中，所述硅基复合颗粒层包括硅基颗粒和导电剂，且所述硅基柔性自支撑电极的底层为导电纤维层。2.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述导电纤维层为一个或多个，且多个导电纤维层之间两两不相邻；和/或，所述硅基复合颗粒层为一个或多个，且多个硅基复合颗粒层之间两两不相邻。3.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述硅基复合颗粒层中，所述硅基颗粒和所述导电剂的质量比为1：(0.1～0.95)；可选的，所述硅基颗粒和所述导电剂的质量比为1：(0.3～0.88)。4.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述硅基颗粒包括硅颗粒、硅与碳的复合颗粒、SiO
x
颗粒、SiO
x
与碳的复合颗粒、SiO
x
纳米线和SiO
x
纳米管中的至少一种，其中，0<x<2；所述导电剂包括碳纳米管、氧化石墨烯和导电聚合物中的至少一种，所述导电聚合物选自聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺中的至少一种。5.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述导电纤维层包含N掺杂的碳纤维和含有导电聚合物的复合纤维中的至少一种。6.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述导电纤维层中的纤维直径为200nm～1000nm；可选的，所述导电纤维层中的纤维直径为200nm～700nm。7.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述导电纤维层的孔隙率为35％～70％；可选的，所述导电纤维层的孔隙率为40％～60％。8.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的质量比为1：(0.5～6)；可选的，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的质量比为1：(1～4)。9.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的层数之和为2～30层；可选的，所述导电纤维层和所述硅基复合颗粒层的层数之和为7～19层。10.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述硅基柔性自支撑电极的顶层为导电纤维层。11.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述硅基柔性自支撑电极中硅的质量百分含量为15％～75％。12.根据权利要求1所述的硅基柔性自支撑电极，其特征在于，所述硅基柔性自支...
【专利技术属性】
技术研发人员：马晴岩，赵玉珍，官英杰，温严，黄起森，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。