高能量密度的固态硅硫一体化电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种高能量密度的固态硅硫一体化电极及应用，固态硅硫一体化电极包括复合负极、复合正极和固态电解质；其中，复合负极的原料包括硅锂合金、磷酸钛铝锂和碳黑，复合正极的原料包括硫

【技术实现步骤摘要】
高能量密度的固态硅硫一体化电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及储能
，具体涉及一种高能量密度的固态硅硫一体化电极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着新能源汽车的不断发展，如何提高其续航里程成为制约新能源汽车进一步大规模应用的关键问题。新能源汽车的续航与电池的能量密度息息相关，因此开发一种高能量密度的锂离子电池对提高新能源汽车的续航有着十分重要的意义。
[0003]硅
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硫电池是一种新型锂离子电池，因其正、负极均采用高容量的电极（硅负极：4200 mAh/g；硫正极：1675 mAh/g），因此具有极高的能量密度。然而硅
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硫电池仍存在以下问题，制约其应用。首先，硫电极的电子电导率低、充放电时体积膨胀/收缩效应严重，而且放电中间产物多硫化锂在液态电解液中存在“穿梭效应”，造成活性物质的不可逆损失。其次，硅负极在充放电过程中同样会产生较大的体积效应，导致材料不断的破裂粉碎；而且，由此产生的新鲜硅负极表面不断与液态电解液发生反应，导致界面膜（SEI）持续生长增厚，并且消耗锂离子，最终导致电池内阻增加，性能下降。
[0004]使用具有高弹性的聚合物基固态电解质，有望缓冲硅负极在脱嵌锂过程中的体积膨胀，同时大大阻止多硫化锂的溶解，避免“穿梭效应”的产生。此外，聚合物固态电解质不易燃易爆，安全性极高，但使用固态电解质会带来电极/电解质界面处，以及电极内部的离子导率较低的问题。因此，通过电极进行成分设计，同时优化电极/电解质界面来提高硅硫电池的电化学性能，具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术通过对电极及电解质的成分进行优化，对电极的制备工艺进行改进，构建了一种复合电极与复合电解质的电极/电解质/电极一体化结构，有效提高了锂离子在电极/电解质界面处的迁移动力学，降低界面接触电阻。将固态硅硫一体化电极与集流体封装，制得高能量密度、高安全性的固态硅硫一体化电极。
[0006]本专利技术第一方面提供一种高能量密度的固态硅硫一体化电极，所述固态硅硫一体化电极包括复合负极、复合正极和固态电解质；所述复合负极的原料包括硅锂合金、磷酸钛铝锂和碳黑，所述复合正极的原料包括硫
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碳纳米管复合材料、磷酸钛铝锂和碳黑，所述固态电解质的原料包括磷酸钛铝锂、聚偏氟乙烯
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六氟丙烯和双三氟甲基磺酰亚胺锂。
[0007]优选的，所述复合负极中硅锂合金、磷酸钛铝锂、碳黑的质量比为1:0.125~1:0.25~0.5。例如，硅锂合金、磷酸钛铝锂、碳黑的质量比可列举的有1:0.125:0.25、1:0.25:0.25、1:0.375:0.25、1:0.5:0.25、1:0.625:0.25、1:0.75:0.25、1:0.875:0.25、1:1:0.25、1:0.125:0.37、1:0.25: 0.37、1:0.375:0.37、1:0.5: 0.37、1:0.625: 0.37、1:0.75: 0.37、1:0.875: 0.37、1:1:0.37、1:0.125:0.5、1:0.25:0.5、1:0.375:0.5、1:0.5:0.5、1:0.625:0.5、1:0.75:0.5、1:0.875:0.5、1:1:0.5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他
未列举的数值同样适用。
[0008]本专利技术的复合负极，将硅锂合金和磷酸钛铝锂、碳黑进行复合，磷酸钛铝锂使电极内部可以有效传输锂离子，有效降低了复合负极的离子传输阻抗，可以使锂离子更快地通过固态电解质传递到复合负极，有利于电极更快更充分地释放和储存电荷。但是磷酸钛铝锂是绝缘体，若其含量过高，反而会影响复合电极的电子传输，影响电池的电性能。
[0009]优选的，所述硅锂合金的制备原料包括硅粉和锂粉；所述硅粉和锂粉的质量比为1:3.5~4.4。使用硅粉和锂粉制得硅锂合金，两者的质量比在1:4.4时达到饱和。若锂含量过高，两者无法进行复合反应，无法形成硅锂合金；但是若锂含量过少，又会导致制得的电池内部锂含量较低，可移动的锂离子变少，影响电池的性能。专利技术人发现，当硅粉和锂粉的质量比为1:3.5~4.4时，制得的电极具有最好电性能。
[0010]优选的，所述硅锂合金的制备步骤为：将硅粉和锂粉混合后，在惰性气氛下进行球磨后得到硅锂合金颗粒，球磨转速为800~1000 r/min，球磨时间为1~3h。
[0011]优选的，所述硅粉为片状硅粉，所述片状硅粉的片径为1~20 um,片厚为1~200 nm。优选的，本专利技术中所述硅粉的片径为 5 um，片厚为100 nm。
[0012]优选的，所述锂粉的平均粒径为40
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60 μm。
[0013]优选的，所述磷酸钛铝锂的平均粒径为100
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200 nm。
[0014]优选的，所述碳黑的平均粒径为1~200nm。
[0015]优选的，所述复合正极中硫
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碳纳米管复合材料、磷酸钛铝锂和碳黑的质量比为1:0.125~1:0.25~0.5。例如，硫
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碳纳米管复合材料、磷酸钛铝锂和碳黑的质量比可列举的有1:0.125:0.25、1:0.25:0.25、1:0.375:0.25、1:0.5:0.25、1:0.625:0.25、1:0.75:0.25、1:0.875:0.25、1:1:0.25、1:0.125:0.37、1:0.25: 0.37、1:0.375:0.37、1:0.5: 0.37、1:0.625: 0.37、1:0.75: 0.37、1:0.875: 0.37、1:1:0.37、1:0.125:0.5、1:0.25:0.5、1:0.375:0.5、1:0.5:0.5、1:0.625:0.5、1:0.75:0.5、1:0.875:0.5、1:1:0.5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0016]优选的，所述硫
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碳纳米管复合材料的原料包括碳纳米管和硫。所述碳纳米管、硫的质量比为1:1~2。例如，可列举的有1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0017]本专利技术中通过将硫、碳纳米管、磷酸钛铝锂颗粒及碳黑复合制备复合正极，特别是当硫
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碳纳米管复合材料、磷酸钛铝锂和碳黑的质量比为1:0.125~1:0.25~0.5，硫
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碳纳米管复合材料中碳纳米管、硫的质量比为1:1~2时，可以有效提高电极的结构稳定性、电子导电性和离子传输性能，提升硫正极的电化学性。硫电极具有容量高和能量密度高的优点，但是硫本身导电率很低，会极大的影响电池的功率密度和硫的利用率，且充放电过程中体积膨胀/收缩效应严重，会破坏硫电极结构的完整性，并导致容量衰减。本专利技术中通过几种材料配合使用，碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高能量密度的固态硅硫一体化电极，其特征在于，所述固态硅硫一体化电极包括复合负极、复合正极和固态电解质；其中，所述复合负极的原料包括硅锂合金、磷酸钛铝锂和碳黑，所述复合正极的原料包括硫
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碳纳米管复合材料、磷酸钛铝锂和碳黑，所述固态电解质的原料包括磷酸钛铝锂、聚偏氟乙烯
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六氟丙烯和双三氟甲基磺酰亚胺锂。2.根据权利要求1所述的高能量密度的固态硅硫一体化电极，其特征在于，所述复合负极中硅锂合金、磷酸钛铝锂、碳黑的质量比为1:0.125~1:0.25~0.5。3.根据权利要求1所述的高能量密度的固态硅硫一体化电极，其特征在于，所述硅锂合金的制备原料包括硅粉和锂粉；所述硅粉和锂粉的质量比为1:3.5~4.4。4.根据权利要求1所述的高能量密度的固态硅硫一体化电极，其特征在于，所述复合正极中硫
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碳纳米管复合材料、磷酸钛铝锂和碳黑的质量比为1:0.125~1:0.25~0.5。5.根据权利要求1所述的高能量密度的固态硅硫一体化电极，其特征在于，所述硫
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碳纳米管复合材料的原料包括碳纳米管和硫；所述碳纳米管、硫的质量比为1:1~2。6.根据权利要求5所述的高能量密度的固态硅硫一体化电极，其特征在于，所述硫
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碳纳米管复合材料的制备步骤如下：将碳纳米管和硫混合后，在150~16...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，刘先正，温广武，刘峰，
申请(专利权)人：山东硅纳新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：