一种微米硅负极、其制备方法及锂离子电池技术

本发明专利技术提供了一种微米硅负极，包括由导电剂所形成的束缚结构和被束缚在其中的微米硅颗粒；所述导电剂包括一维导电剂和/或二维导电剂；所述微米硅颗粒与导电剂的质量比为（80~99）：（0.5~20）。本发明专利技术使用微米级别的硅颗粒与具有纳米尺度的一维和/或二维导电剂在混合过程中，一维和/或二维导电剂在静电作用下会发生交联，形成束缚硅颗粒的束缚结构，从而实现具有束缚结构的微米硅负极。本发明专利技术还提供了一种微米硅负极的制备方法和锂离子电池。种微米硅负极的制备方法和锂离子电池。种微米硅负极的制备方法和锂离子电池。

【技术实现步骤摘要】
一种微米硅负极、其制备方法及锂离子电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种微米硅负极、其制备方法及锂离子电池。

技术介绍

[0002]随着动力电池能量密度的需求越来越高，充电时间的需求越来越短，石墨负极374mAh/g的理论容量逐渐限制了电池往高能量密度领域的发展。因此高克容量负极材料—硅材料凭借4200mAh/g的理论容量走向了应用，例如硅基，硅氧基，硅碳等高克容量材料。
[0003]具有高的理论容量和低工作电压的硅负极被视为高比能锂离子电池最有前途的负极材料，但是因硅负极在循环脱嵌锂的过程中会膨胀，其膨胀率高达300％，膨胀导致颗粒粉化，其循环性能会随之衰减，严重影响硅负极商业化发展。硅粉化导致硅颗粒间失去电连接是循环快速衰减的主要原因。
[0004]目前控制硅颗粒膨胀的方法有：
[0005]①
将硅颗粒纳米化，减少锂离子传输路径，缓冲体积效应；但纳米尺寸过小导致比表面积过大，形成SEI膜消耗很多的活性锂离子，因此纳米硅负极首效较差，且容量发挥较难超过3000mAh/g；纳米硅压实密度比较低，很难实现高体积能量密度的需求；纳米尺度混料工艺难度较大，很难均匀分散，非常难实现工业上的生产使用，因此纳米硅电极大部分选择掺混使用或在实验室小型规模制备，较难在大型的生产中使用纳米硅电极；
[0006]②
将硅与碳材料(石墨、无定型碳、沥青等)复合，这是大部分业界都会采用延缓硅的负面影响的方法，但大量的碳添加失去了硅的高容量，无法满足更高能量密度的需求；
[0007]③
对硅颗粒二次加工的方式在表面制造碳层去束缚，增加了工艺难度和冗余的步骤；
[0008]对于以上三种改善硅体积膨胀的办法，都是仅限在材料端的改善，且目前没有产业化的材料。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种微米硅负极、其制备方法及锂离子电池，本专利技术中的微米硅负极具有束缚硅颗粒的束缚结构，在充放电过程后，依然保持硅颗粒间的电连接，保证高比容量和循环性能的发挥。
[0010]本专利技术提供一种微米硅负极，包括由导电剂所形成的束缚结构和被束缚在其中的微米硅颗粒；
[0011]所述导电剂包括一维导电剂和/或二维导电剂；
[0012]所述微米硅颗粒与导电剂的质量比为(80～99)：(0.5～20)。
[0013]优选的，所述微米硅颗粒的粒径为0.5～20μm。
[0014]优选的，所述一维导电剂包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、银纳米纤维和铜纳米纤维中的一种或几种；
[0015]所述二维导电剂包括石墨烯和/或石墨炔。
[0016]优选的，所述微米硅负极还包括粘结剂。
[0017]优选的，所述粘结剂包括聚丙烯腈、聚偏四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠
‑
丁苯橡胶和聚丙烯酸中的一种或几种；
[0018]所述粘结剂与微米硅颗粒的质量比为(80～99)：(0.5～20)。
[0019]优选的，所述导电剂在至少一个维度上的尺寸大于所述微米硅颗粒。
[0020]优选的，所述一维导电剂长度大于所述微米硅颗粒的粒径；直径在纳米级别；
[0021]所述二维导电剂长度和/或宽度大于所述微米硅颗粒的粒径；厚度在纳米级别。
[0022]优选的，所述导电剂同时包括一维导电剂和二维导电剂，所述由导电剂所形成的束缚结构为三维束缚结构。
[0023]本专利技术提供如上文所述的微米硅负极的制备方法，包括以下步骤：
[0024]A)将微米硅颗粒材料、导电剂和粘结剂在溶剂中分散均匀，得到具有包覆结构的负极涂布浆料；
[0025]B)将所述负极涂布浆料涂布在集流体表面，干燥后得到微米硅负极。
[0026]优选的，所述集流体为铜箔、涂炭铜箔或三维多孔铜箔。
[0027]本专利技术提供一种锂离子电池，包括上文所述的微米硅负极。
[0028]本专利技术提供了一种微米硅负极，包括由导电剂所形成的束缚结构和被束缚在其中的微米硅颗粒；所述导电剂包括一维导电剂和/或二维导电剂；所述微米硅颗粒与导电剂的质量比为(80～99)：(0.5～20)。本专利技术使用微米级别的硅颗粒与具有纳米尺度的一维和/或二维导电剂在混合过程中，一维和/或二维导电剂在静电作用下会发生交联，形成束缚硅颗粒的束缚结构，从而实现具有束缚结构的微米硅负极。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0030](1)利用一维和/或二维导电剂材料在与微米硅颗粒混料的过程中，在硅颗粒表面交联形成一层具有导电功能的三维束缚结构，该结构能够有效的约束硅颗粒膨胀粉化造成的负面影响，如首次充放电库伦效率低，循环过程中容量大幅度衰减；
[0031](2)与之前的技术相比，该结构充分发挥了硅材料的高的容量特性，电压范围在0.01
‑
1.5V的条件下首次库伦效率可达90％以上，在0.1C的电流密度下，放电比容量可达到3000mAh/g以上，并且本专利技术在扣式半电池和全电池中均表现出了杰出的循环性能。本专利技术方法制备工艺简单，无需二次加工实现束缚结构，制备条件可控，适合进行规模化生产开发。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0033]图1为本专利技术中微米硅负极的结构示意图；其中1为集流体，2为微米硅颗粒，3为导电剂组成的束缚结构；
[0034]图2为本专利技术实施例4中的微米硅负极的SEM图；
[0035]图3为本专利技术实施例4中的微米硅负极在循环600圈之后的SEM图。
具体实施方式
[0036]本专利技术提供了一种微米硅负极，包括由导电剂所形成的束缚结构和被束缚在其中的微米硅颗粒；
[0037]所述导电剂包括一维导电剂和/或二维导电剂；
[0038]所述微米硅颗粒与导电剂的质量比为(80～99)：(0.5～20)。
[0039]在本专利技术中，所述微米硅负极包括集流体和复合在所述集流体表面的负极涂层，所述负极涂层包括由导电剂所形成的束缚结构和被束缚在其中的微米硅颗粒。
[0040]在本专利技术中，所述负极涂层的厚度优选为100μm之内，更优选为30～90μm。
[0041]在本专利技术中，所述微米硅颗粒可以是纯的微米硅颗粒，也可以是硅氧基材料、硅碳基材料等纯相或复合材料。为实现上文所述的束缚结构，所述微米硅颗粒的粒径优选为0.5～20μm，可以是10～20μm，也可以是1～10μm，还可以是0.5～1μm，如0.5μm，1μm，2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm，10μm，12μm，15μm，18μm，20μm，优选为以上述任意数值为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微米硅负极，包括由导电剂所形成的束缚结构和被束缚在其中的微米硅颗粒；所述导电剂包括一维导电剂和/或二维导电剂；所述微米硅颗粒与导电剂的质量比为（80~99）：（0.5~20）。2.根据权利要求1所述的微米硅负极，其特征在于，所述微米硅颗粒的粒径为0.5~20μm。3.根据权利要求1所述的微米硅负极，其特征在于，所述一维导电剂包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、银纳米纤维和铜纳米纤维中的一种或几种；所述二维导电剂包括石墨烯和/或石墨炔。4.根据权利要求3所述的微米硅负极，其特征在于，所述微米硅负极还包括粘结剂，所述粘结剂包括聚丙烯腈、聚偏四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠
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丁苯橡胶和聚丙烯酸中的一种或几种；所述粘结剂与微米硅颗粒的质量比为（80~99）：（0.5~20）。5.根据权利要求1所述的微米硅负极，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：江苏卫蓝新能源电池有限公司，
类型：发明
国别省市：