一种电池自支撑阳极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种电池自支撑阳极及其制备方法与应用。本发明专利技术通过以下方法制备得到：将木质素类材料溶解在有机溶剂中，加入导电剂、线性高分子并混合，得到纺丝溶液；利用静电纺丝将所得纺丝溶液制备前驱体纤维；将所得前驱体纤维加热升温并保温；降温后，在惰性气体氛围下加热并保温后，温度降低，通入硅烷类气体，通入有机气体形成软碳层，得到产物A；将得到的产物A进行洗涤，干燥后得到所述电池自支撑阳极。本发明专利技术以软碳作为涂层可减少电解液与电极材料的副反应从而提高首圈库伦效率。材料的副反应从而提高首圈库伦效率。材料的副反应从而提高首圈库伦效率。

【技术实现步骤摘要】
一种电池自支撑阳极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池
，尤其是指一种电池自支撑阳极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]目前，锂离子电池在3C类消费电子产品、新能源电动汽车以及可再生能源储存等领域得以广泛应用。有限的锂资源、不平衡分布及其高成本，不利于其在储能领域的规模化应用。同时，商业化锂离子电池石墨负极因其结构特性阻碍了其循环性能和倍率性能的进一步提升。钠离子电池具有与锂离子电池类似的储能机制，因兼具资源丰富、成本低廉等优势有望替代锂离子电池产品。
[0003]为了进一步降低钠离子电池的成本，需要寻找高比容量的负极材料，近年来合金类负极材料引起了科研工作者的广泛关注。其中硅（Si）来源丰富，具有较高的理论容量（954mAh/g），同时，Si负极的体积膨胀率为114%远小于其他合金材料Sn(420%)、Ge（369%）、P（308%）。尽管如此，为了进一步提高循环稳定性，继续降低硅负极的膨胀是十分有必要的。此外，硅负极材料导电性差。
[0004]碳纳米纤维具有较好的机械性能，可以防止硅纳米颗粒在充放电过程中的膨胀。同时，碳纳米纤维可提供一个连续的导电框架，改善电子电导率与离子传输动力学。良好的柔韧性使其可作为自支撑电极，减少集流体、粘结剂等辅料的使用，进一步降低成本。因此，利用碳纳米纤维的这两点优势设计合理的高性能硅/碳纳米纤维钠离子电池自支撑阳极材料是一个值得关注的点。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术通过提供一种电池自支撑阳极及其制备方法与应用。通过静电纺丝技术、热解碳化将硅纳米颗粒均匀负载在碳纳米纤维中，碳纳米纤维不仅作为自支撑阳极的基底，还作为支撑负载纳米硅的骨架增加其导电性，有利于倍率性能的改善。随后在该材料表面涂覆一层软碳涂层。以软碳作为涂层可减少电解液与电极材料的副反应从而提高首圈库伦效率。进一步实现高性能硅/碳纳米纤维钠离子电池自支撑阳极材料的制备。
[0006]本专利技术的第一个目的在于提供一种电池自支撑阳极，所述电池自支撑阳极以木质素基碳纳米纤维为支撑基底，所述木质素基碳纳米纤维表面负载纳米硅，并以软碳为涂层，形成木质素基碳纳米纤维
‑
纳米硅
‑
软碳的夹层结构。
[0007]本专利技术的第二个目的在于提供一种电池自支撑阳极的制备方法，包括以下步骤：（1）、将木质素类材料溶解在有机溶剂中，加入导电剂并混合，加入线性高分子混合，得到纺丝溶液；（2）、利用静电纺丝将步骤（1）中所得纺丝溶液制备前驱体纤维；（3）、将步骤（2）中所得前驱体纤维加热升温至200℃
‑
250℃，保温2h
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3h；降温后，
在惰性气体氛围下加热一段时间，将温度降低至600℃
‑
700℃，通入硅烷类气体，通入有机气体形成软碳层，得到产物A；（4）、将步骤（3）得到的产物A进行洗涤，干燥后得到所述电池自支撑阳极。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，步骤（1）中，所述有机溶剂选自DMAC、丙酮、二甲基亚枫和四氢呋喃中的一种或多种。进一步的，优选DMAC和丙酮的混合溶剂，所述DMAc与丙酮的质量比可为1:1
‑
1:2；可以为1:1、1:2、1:0.5、2:3，或任意两个数值之间的任意质量比。利用有机溶剂可以很好的溶解木质素类材料，以制备纺丝液。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，步骤（1）中，所述导电剂选自石墨烯或碳纳米管，所述导电剂的用量为0.5wt%
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1wt%。所述导电剂不仅能提高材料的导电性能还能提高材料的强度。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，步骤（1）中，所述线性高分子为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、壳聚糖、羧甲基甲壳素和羧甲基壳聚糖中的一种或多种。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，步骤（1）中，所述木质素类材料选自工业碱木素、木素磺酸盐、璜化木素、酶解木素、磨木木素中的一种或多种；所述纺丝溶液中木质素类材料的质量浓度为10wt%
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25wt%，进一步的，可以为10wt%
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15wt%，15wt%
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25wt%，10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%、15wt%、16wt%、17wt%、18wt%、19wt%、20wt%、21wt%、22wt%、23wt%、24wt%、25wt%；或任意两个数值之间的任意质量浓度。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，步骤（1）中，所述线性高分子与木质素类材料的质量比为1:1
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1:5。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，步骤（2）中，所述静电纺丝的条件：电压为+15 kV至
‑
5 kV，进给速率为0.5 mL/h
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2.0 mL/h，注射器与收针辊间距为15 cm
‑
20 cm。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，步骤（3）中，所述软碳层厚度小于500 nm。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，步骤（3）中，所述惰性气体氛围下加热的温度为1200 ℃
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1500 ℃，加热时间2 h
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4 h，升温速度为1 ℃/min
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3 ℃/min。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，步骤（3）中，所述硅烷类气体选自甲硅烷或乙硅烷；本专利技术利用硅烷类气体在高温的情况下，分解产生了Si；所述硅烷类气体的流量为40mL/min
‑
60mL/min。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，步骤（3）中，所述有机气体选用C1
‑
C6碳氢化合物，气体流量为40mL/min
‑
60mL/min。本专利技术利用有机气体在高温条件下气体裂解，并在固体表面实现碳键重组，生成新的软碳层，可以减少硅在充放电过程中的体积膨胀，以获得稳定的电极。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述C1
‑
C6碳氢化合物选自甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丁炔、丁二烯、戊烷、庚烷、环己烷中的一种或多种。进一步的，优选甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、环己烷中的一种或多种。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，步骤（4）中，所述洗涤的洗涤液包括盐酸、水、乙醇。所述盐酸的浓度为1M。
[0020]本专利技术的第三个目的在于提供一种钠离子电池，包括所述电池自支撑阳极。
[0021]本专利技术所得碳纳米纤维交织的碳网络结构的良好导电性、良好柔性与强度是该材料作为自支撑材料的基础。但碳纳米纤自身存钠性理论值较过渡金属低，通过气相沉积纳
米硅，可以提高其储钠性能。以软碳为涂层，形成木质素基碳纳米纤维
‑
纳米硅
‑
软碳的夹层结构能减少硅在充放电过程中的膨胀，获得稳定的电极结构。
[0022]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本专利技术通过静电纺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池自支撑阳极，其特征在于，所述电池自支撑阳极以木质素基碳纳米纤维为支撑基底，所述木质素基碳纳米纤维表面负载纳米硅，并以软碳为涂层，形成木质素基碳纳米纤维
‑
纳米硅
‑
软碳的夹层结构。2.一种电池自支撑阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、将木质素类材料溶解在有机溶剂中，加入导电剂、线性高分子并混合，得到纺丝溶液；（2）、利用静电纺丝将步骤（1）中所得纺丝溶液制备前驱体纤维；（3）、将步骤（2）中所得前驱体纤维加热升温至200℃
‑
250℃，保温2h
‑
3h；在惰性气体氛围下加热一段时间，将温度降低至600℃
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700℃，通入硅烷类气体，通入有机气体形成软碳层，得到产物A；（4）、将步骤（3）得到的产物A进行洗涤，干燥后得到所述电池自支撑阳极。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述有机溶剂选自DMAC、丙酮、二甲基亚枫和四氢呋喃中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述导电剂用量为0.5wt%
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1wt%。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，满足以下至少一个条件：1）、所述线性高分子为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、壳聚糖、羧甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋绮雯，王翔翔，王迪，董丰恺，张斌梅，江柯成，
申请(专利权)人：江苏正力新能电池技术有限公司，
类型：发明
国别省市：