一种三维多孔硅碳复合锂电池负极及其制备方法和锂二次电池技术

本发明专利技术公开了一种三维多孔硅碳复合锂电池负极及其制备方法和锂二次电池。本发明专利技术制备方法包括如下步骤：S1、将一号聚合物、二号聚合物溶解于溶剂中，得到聚合物溶液；S2、将单质硅粉分散于聚合物溶液中，得到混合分散液；S3、使混合分散液在负极集流体的表面形成涂层，将涂层干燥后进行无氧烧结以使一号聚合物碳化包覆硅的同时二号聚合物气化形成孔隙，从而在负极集流体的表面形成三维多孔硅碳复合层，得到锂离子电池负极。本发明专利技术制备方法无需额外添加导电剂粘结剂等影响负极容量的物质，具备良好导电性，三维多孔结构可容纳更多电解液，在提升负极的能量密度的情况下解决了硅作为负极充放电过程中体积变化过大的问题。充放电过程中体积变化过大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔硅碳复合锂电池负极及其制备方法和锂二次电池


[0001]本专利技术涉及锂电池负极领域，特别是涉及一种无需导电剂粘结剂的三维多孔硅碳复合锂电池负极及其制备方法和锂二次电池。

技术介绍

[0002]锂二次电池作为新能源产业的杰出代表，近年呈现出井喷式的增长，尤其是在电动汽车领域，具备大倍率充放性能的动力电池更是出现了供不应求的局面。随着锂二次电池在电动汽车上的大量应用，电池的容量成为制约锂电池继续发展的一个因素。其中，锂电池负极是作为提升其容量的一个重要因素。
[0003]目前正广泛应用于锂电池中的负极主要为石墨，其需要添加导电剂和粘结剂才可以进行涂布使用。石墨虽然充放电稳定性好，但容量偏低，同时还需要加入无容量的导电剂和粘结剂，进一步降低了负极的容量。导致需要涂覆较多的石墨，并且粘结剂会影响锂离子在负极中的导通，导电剂混杂在石墨中导电效果并不是非常好。硅的储锂容量高达4200mAh/g，是石墨的10倍多，但纯硅基材料的导电性差，且其作为负极材料时充放电体积变化大。因此，提供一种容量更高，且无需添加导电剂粘结剂的锂电池负极是本领域技术人员需要解决的课题。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种三维多孔硅碳复合锂电池负极及其制备方法和锂二次电池，该锂电池负极为无需导电剂粘结剂的三维多孔硅碳复合负极，可解决现有技术中石墨负极容量低、硅作为负极充放电中体积变化大、添加无益于容量的导电剂和粘结剂的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术采取如下技术方案：
[0006]本专利技术提供一种锂电池负极的制备方法，包括如下步骤：
[0007]S1、将一号聚合物、二号聚合物溶解于溶剂中，得到聚合物溶液；
[0008]S2、将单质硅粉分散于所述聚合物溶液中，得到混合分散液；
[0009]S3、使所述混合分散液在所述负极集流体的表面形成涂层，将所述涂层干燥后进行无氧烧结以使所述一号聚合物碳化包覆硅的同时所述二号聚合物气化形成孔隙，从而在所述负极集流体的表面形成三维多孔硅碳复合层，得到所述锂电池负极。
[0010]上述的制备方法中，所述一号聚合物选自聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯、ABS树脂(即丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺(PA)和芳纶中的至少一种；
[0011]所述二号聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
[0012]上述的制备方法中，所述一号聚合物和所述二号聚合物的质量比可为5：(1～5)，具体可为5：5。
[0013]上述的制备方法中，所述溶剂选自水、乙醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、四氢呋喃、吡啶、二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、N，N
‑
二甲基甲酰胺、N，N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮和聚乙二醇中至少一种。
[0014]上述的制备方法中，所述单质硅粉的粒径可为10nm～500nm，具体可为50nm；
[0015]以所述三维多孔硅碳复合层的重量为基准，硅的百分含量可为5％～90％，具体可为12％。
[0016]上述的制备方法中，所述溶剂在所述混合分散液中的质量百分含量可为10％～90％，具体可为86％。
[0017]上述的制备方法中，所述涂层的形成包括：
[0018]将所述混合分散液涂覆在所述负极集流体的表面；或，
[0019]将所述负极集流体浸泡于所述混合分散液中。
[0020]上述的制备方法中，所述干燥的温度可为60～80℃，具体可为60℃，时间可为2h～24h，具体可为12h；
[0021]所述无氧烧结的升温速率可为2～10℃/min(如5℃/min)，烧结温度可为400～900℃(如400℃)，保温时间可为1～6h(如1h)；
[0022]所述无氧烧结选自真空烧结(如真空度为6.67
×
10
‑3pa)、惰性气体保护烧结中的任一种。
[0023]上述的制备方法中，所述三维多孔硅碳复合层的厚度可为50～200μm，如100μm。
[0024]上述的制备方法中，所述集流体优选为铜箔。
[0025]本专利技术进一步提供上述任一项所述的制备方法制备得到的锂电池负极。
[0026]本专利技术另外提供一种锂二次电池，所述锂二次电池包含所述的锂电池负极。
[0027]本专利技术具有如下有益效果：
[0028]1、本专利技术创新的采用两种聚合物同时溶解于一种溶剂中，一种完全气化制造孔隙，一种碳化包覆硅，形成了三维多孔的硅碳复合结构。该制备方法无需额外添加导电剂粘结剂等影响负极容量的物质，负极中的全部物质均有储锂能力，减少了生产成本。本身即形成于负极集流体上，且具备良好导电性，三维多孔结构可以容纳更多的电解液，有利于电解液更好浸泡负极，降低锂离子的传输距离。
[0029]2、本专利技术创新的采用聚合物无氧烧结碳化的方式包覆硅，不仅可以做到碳更加紧密地包裹住硅，抑制其充放电过程中的膨胀。并且碳化形成的碳骨架网络可以很好地进行导电。
[0030]3、本专利技术采用的三维多孔硅碳复合负极，拥有高于现有商用石墨负极的容量，在提升负极的能量密度的情况下，解决了硅作为负极充放电过程中体积变化过大的问题。本专利技术的三维多孔硅碳复合负极特别适用于二次电池。
附图说明
[0031]图1为本专利技术锂电池负极的制备方法的流程示意图。
[0032]图2为本专利技术实施例1制备的负极的放电比容量循环图。
[0033]图3为本专利技术实施例1制备的负极的倍率性能放电比容量图。
[0034]图4为本专利技术实施例1制备的负极的三维多孔硅碳复合层的SEM照片。
[0035]图5为本专利技术实施例1制备的负极的三维多孔硅碳复合层的TEM照片。
具体实施方式
[0036]如图1所示，本专利技术锂电池负极的制备方法，包括如下步骤：
[0037]S1、将一号聚合物、二号聚合物溶解于溶剂中，得到聚合物溶液；
[0038]S2、将单质硅粉分散于聚合物溶液中，得到混合分散液；
[0039]S3、使混合分散液在负极集流体的表面形成涂层，将涂层干燥后进行无氧烧结以使一号聚合物碳化包覆硅的同时二号聚合物气化形成孔隙，从而在所述负极集流体的表面形成三维多孔硅碳复合层，得到锂电池负极。
[0040]本专利技术中三维多孔硅碳复合负极无需添加导电剂粘结剂，制成即与负极集流体结合在了一起。
[0041]根据本专利技术，一号聚合物为能够在无氧环境中烧结碳化的聚合物，作为示例，一号聚合物选自聚丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯、ABS树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺(PA)和芳纶中的至少一种；二号聚合物为能够无氧环境烧结会气化无残留的聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯。其中，一号聚合物和二号聚合物的质量比直接影响三维多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂电池负极的制备方法，包括如下步骤：S1、将一号聚合物、二号聚合物溶解于溶剂中，得到聚合物溶液；S2、将单质硅粉分散于所述聚合物溶液中，得到混合分散液；S3、使所述混合分散液在所述负极集流体的表面形成涂层，将所述涂层干燥后进行无氧烧结以使所述一号聚合物碳化包覆硅的同时所述二号聚合物气化形成孔隙，从而在所述负极集流体的表面形成三维多孔硅碳复合层，得到所述锂电池负极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述一号聚合物选自聚丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯、ABS树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺和芳纶中的至少一种；所述二号聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述一号聚合物和所述二号聚合物的质量比为5：(1～5)。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂选自水、乙醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、四氢呋喃、吡啶、二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、N，N
‑
二甲基甲酰胺、N，N
‑
二甲基乙酰胺、N
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【专利技术属性】
技术研发人员：孙涛，陈萌，李凯，付以诗，徐立洋，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：