一种负极极片及其制备方法和电池技术

本发明专利技术公开了一种负极极片及其制备方法和电池，该制备方法包括将硅纳米颗粒与氧化石墨烯分散液混合制备混合分散液，而后加入交联剂混合均匀，再覆设于基底上制得湿膜；然后将湿膜置于氧化石墨烯的不良溶剂中进行浸泡，干燥后制得褶皱复合膜，再经还原制得负极极片。以上方法通过交联剂的添加可使氧化石墨烯片层间交联，进而可提高电极整体的导电率和结构稳定性；通过将湿膜浸泡于氧化石墨烯的不良溶剂中以置换湿膜中的氧化石墨烯分散溶剂，可使氧化石墨烯由原始舒展状态转变为收缩褶皱状态，使所得产品负极极片中含大量褶皱石墨烯，该褶皱状的石墨烯可有效抑制硅体积膨胀，保持电极结构完整性，进而有效提升硅基负极极片的导电性和循环性能。导电性和循环性能。导电性和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种负极极片及其制备方法和电池


[0001]本专利技术涉及电池
，尤其是涉及一种负极极片及其制备方法和电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为可充电的二次电池，相比于传统的铅酸电池，具有容量高、循环寿命长、无污染、安全性好等优势，广泛应用于电子设备、电动交通、航空航天、军事、医学等领域，在人们的日常生活中发挥着重要作用。石墨导电性好，具有层状结构，十分适合锂离子的嵌入和脱嵌，目前的商品锂离子电池多采用石墨等碳质负极，但是其理论容量仅为372mAh/g，已经无法满足人们日益增长的高容量需求。硅材料作为锂离子电池负极材料之一，其理论容量为4200mAh/g，是石墨容量的10倍以上，且具有低的嵌锂电位、价格较便宜、环境友好等优势，一直备受关注。但是由于硅材料本身导电性能差，并且充放电过程中存在巨大的体积膨胀，容易造成材料粉化、电极碎裂，同时不断形成新的SEI膜等问题，导致电池容量衰减快，循环稳定性差，限制了硅材料在锂离子电池负极上的实际应用。
[0003]为了解决上述问题，现有技术主要是硅颗粒纳米化或硅颗粒与具有优良导电性能的碳材料(如石墨、石墨烯、碳纳米、碳纤维等)复合，以提高硅基材料整体颗粒的导电性能，同时解决硅材料在充放电过程中体积膨胀问题。石墨烯是一种二维单分子层材料，具有高的比表面积，硅材料与石墨烯进行复合能够有效降低硅材料在膨胀和收缩过程中对电极材料的破坏，同时石墨烯的高导电性也有助于改善硅材料导电性差的问题。但是在充放电过程中，硅的体积变化巨大，普通的包覆结构在长循环过程中会被破坏。因此，如何有效抑制硅体积膨胀效应是制备高容量硅碳负极材料目前所要解决的难题之一。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种负极极片及其制备方法和电池。
[0005]本专利技术的第一方面，提出了一种负极极片的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1、将硅纳米颗粒与氧化石墨烯分散液混合，制备混合分散液；
[0007]S2、将交联剂加入所述混合分散液中混合均匀，而后覆设于基底上，得到湿膜；
[0008]S3、将所述湿膜置于氧化石墨烯的不良溶剂中进行浸泡处理，干燥后制得褶皱复合膜；
[0009]S4、对所述褶皱复合膜进行还原处理，得到负极极片。
[0010]根据本专利技术实施例负极极片的制备方法，至少具有以下有益效果：该负极极片的制备方法通过将硅纳米颗粒与氧化石墨烯分散液混合，以使硅纳米颗粒均匀分散在氧化石墨烯分散液中，再加入交联剂，使氧化石墨烯片层间产生化学键连接作用，增强层间作用力，这种层间交联可更好地固定片层间的硅纳米颗粒，形成整体结构更加稳定的层状导电网络结构，可提高电极整体的导电率和结构稳定性；而后将由交联剂与混合分散液混合形成的混合液覆设于基底上形成湿膜，再将湿膜浸泡于氧化石墨烯的不良溶剂中进行浸泡处
理，以浸泡置换出湿膜中原分散氧化石墨烯的溶剂(记为良性溶剂)，使得氧化石墨烯所处环境从良性溶剂转化为不良溶剂，以上浸泡过程中溶剂的转变，使得氧化石墨烯片层由起初在良性溶剂中分散所呈现的舒展状态，转变为在不良溶剂中难以分散而呈现出的收缩褶皱状态，经干燥，溶剂蒸发可使材料进一步收缩，从而产生大量的褶皱结构，再经还原处理，得到呈褶皱状的石墨烯，这种褶皱状的石墨烯能够在硅膨胀时被拉伸，释放硅膨胀产生的体积应力，从而有效抑制硅体积膨胀，保持电极结构的完整性，有效提升硅基负极极片的导电性和循环稳定性；并且该制备方法工艺简单，能耗低，对设备要求低，适合实验室操作或工业大规模生产。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述硅纳米颗粒与所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量比为1：(0.5～1.0)。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述硅纳米颗粒的粒径小于100nm。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的片层尺寸为5～50μm。氧化石墨烯分散液的浓度可控制在10～30g/L。氧化石墨烯分散液具体可将氧化石墨烯分散于溶剂中配制，本申请中以能够分散氧化石墨烯的溶剂记为氧化石墨烯的良性溶剂，包括但不限于丙酮、四氢呋喃、N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)、甲醇、乙醇、乙二醇、N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)等；氧化石墨烯在良性溶剂中均匀分散，进而在良性溶剂中均匀分散的氧化石墨烯呈现舒展状态。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述交联剂具有两个以上活性基团，所述活性基团为可与含氧官能团反应的基团，如氨基、异氰酸根、羧基等。由于氧化石墨烯上具有含氧官能团，采用具有两个以上可与含氧官能团反应的活性官能团的交联剂，交联剂可与不同氧化石墨烯片之间发生交联，使得氧化石墨烯片之间可借助交联剂通过化学键连接。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，所述交联剂选自二胺类化合物、二异氰酸酯类化合物中的至少一种。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述交联剂与所述混合分散液中氧化石墨烯的质量比为1：(10～100)。
[0017]步骤S2中，交联剂与混合分散液的混合覆设于基底上的厚度可控制在0.5～3mm；具体可将交联剂和混合分散液的混合液通过刮涂覆设于基底上，刮刀厚度可为0.5～3mm，刮涂速度可为10～50mm/s。
[0018]步骤S3中，氧化石墨烯的不良溶剂为氧化石墨烯在其中难以均匀分散的溶剂。为了实现氧化石墨烯的不良溶剂对湿膜中原分散氧化石墨烯的溶剂(即良性溶剂)的置换，一般所采用氧化石墨烯的不良溶剂与氧化石墨烯分散液所采用溶剂互溶；在本专利技术的一些实施方式中，所述氧化石墨烯的不良溶剂选自乙酸乙酯、甲苯、乙醚、正己烷中的至少一种。并且，该步骤中需保证湿膜完全浸没在氧化石墨烯的不良溶剂中；浸泡时间可控制在2～8h。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，干燥可采用加热干燥、鼓风干燥等；加热干燥的温度可控制在30～60℃。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S4中，所述还原处理为化学还原。化学还原可采用质量浓度为10～30％的氢碘酸溶液作为还原剂，具体可将褶皱复合膜浸入还原剂中，还原时间可控制在1～6h。
[0021]本专利技术的第二方面，提出了一种负极极片，其由本专利技术第一方面所提出的任一种负极极片的制备方法制得。具体地，通过以上方法所制得负极极片包括多层堆叠设置的石墨烯片和分布在石墨烯片之间的硅纳米颗粒；石墨烯片呈褶皱状，且石墨烯片之间通过化学键连接。
[0022]根据本专利技术实施例负极极片，至少具有以下有益效果：该负极极片中，石墨烯片可作为导电骨架以促进电子和离子迁移，并可作为模板抑制硅纳米颗粒的聚集和体积膨胀；硅纳米颗粒分布固定在石墨烯片之间，在提供高容量的同时，可作为支撑物来防止锂脱嵌过程中石墨烯片的重新堆叠，且石墨烯片之间存在强键合力，石墨烯片和硅纳米颗粒共同构成层状导电网络结构，可提高电极整体的导电率和结构稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将硅纳米颗粒与氧化石墨烯分散液混合，制备混合分散液；S2、将交联剂加入所述混合分散液中混合均匀，而后覆设于基底上，得到湿膜；S3、将所述湿膜置于氧化石墨烯的不良溶剂中进行浸泡处理，干燥后制得褶皱复合膜；S4、对所述褶皱复合膜进行还原处理，得到负极极片。2.根据权利要求1所述负极极片的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述氧化石墨烯的不良溶剂选自乙酸乙酯、甲苯、乙醚、正己烷中的至少一种。3.根据权利要求1所述负极极片的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述交联剂具有两个以上活性基团，所述活性基团为可与含氧官能团反应的基团。4.根据权利要求3所述负极极片的制备方法，其特征在于，所述交联剂选自二胺类化合物、二异氰酸酯类化合物中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐政和，房大维，姜峰，邱伟，李超磊，张洪岩，王晗，
申请(专利权)人：南方科技大学嘉兴研究院，
类型：发明
国别省市：