柔性的聚合物电解质硅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了一种柔性的聚合物电解质硅一体化电极，聚合物电解质硅一体化电极包括硅电极和聚合物电解质；其中，硅电极的原料包括硅粉、碳黑和阴离子型粘结剂；聚合物电解质的原料包括聚偏氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
柔性的聚合物电解质硅一体化电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及储能
，具体涉及一种柔性的聚合物电解质硅一体化电极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着电子技术的不断发展，便携式电子器件不断小型化、轻量化、柔性化。为了满足和匹配这些新型电子器件，开发高能量密度的柔性锂离子电池至关重要。锂离子电池硅负极的理论比容量高达3600 mAh/g，是商用石墨负极的10倍，作为负极能够极大提升整个电池的能量密度，因此极具应用前景。然而，硅在嵌/脱锂过程中巨大的体积变化（300%）会导致材料发生严重的断裂、粉碎现象。若采用传统的有机电解液会导致电极/电解液界面处的固态电解质界面（SEI）膜持续生长，不仅持续消耗有限的电解液，还会增大电池内阻，最终损害电池寿命。锂电池中不稳定的电沉积和不可控的界面反应会在液体电解质中发生，导致电池存在安全隐患。此外，有机电解液在使用时还存在易燃、易泄露等问题。
[0003]采用固态电解质具有高安全性、高可靠性和高能量密度等优点，且可以有效避免有机电解液的上述缺点，具有显著优势。固态电解质的合理应用是由高离子电导率、良好的力学性能以及与电极材料的相容性等一系列要求决定的。但是，现有的以氧化物、硫化物为代表的陶瓷基固态电解质由于其本身机械硬度较大，难以用于制备柔性锂离子电池，且与体积变化较大的硅负极容易产生较大的内应力，使硅负极的界面稳定性变差。而且，电极与固态电解质的界面接触面积有限，界面接触电阻较大，影响电池性能。如何解决固态锂离子电池中电解质与电极的固
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固界面接触差、界面电阻高的问题，提升材料离子导电率和改善界面稳定性，是当下的重点研究方向。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种柔性的聚合物电解质硅一体化电极，使用高室温电导率、高柔性的聚合物电解质，通过改进电极制备工艺，以及电极与聚合物电解质的复合工艺，构建独特的电极/电解质一体化结构，将能够改善电解质与电极的固
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固界面接触差、界面电阻高的问题，实现柔性固态锂离子电池的制备。
[0005]本专利技术第一方面提供一种柔性的聚合物电解质硅一体化电极，所述聚合物电解质硅一体化电极包括硅电极和聚合物电解质；其中，所述硅电极的原料包括硅粉、碳黑和阴离子型粘结剂；所述聚合物电解质的原料包括聚偏氟乙烯
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六氟丙烯、双三氟甲基磺酰亚胺锂、聚氧化乙烯。
[0006]为了是有效提高电极的性能，本专利技术中优选的，所述硅粉、碳黑、阴离子型粘结剂的质量比为1:0.125~0.33:0.125~0.33。例如可列举的有：1:0.125:0.125，1:0.125:0.15，1:0.125:0.175，1:0.125:0.2，1:0.125:0.225，1:0.125:0.25，1:0.125:0.275，1:0.125:0.3，1:0.125:0.325，1:0.125:0.33，1:0.15:0.125，1:0.175:0.125，1:0.2:0.125，1:0.225:0.125，1:0.25:0.125，1:0.275:0.125，1:0.3:0.125，1:0.325:0.125，1:0.33:
0.125，1:0.175:0.15，1:0.2:0.175，1:0.225:0.2，1:0.25:0.225，1:0.275:0.25，1:0.3:0.275，1:0.33:0.3，1:0.33:0.33，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。
[0007]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20
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200 nm。
[0008]为了有效提高硅电极的首圈库伦效率、循环性能等，并使硅电极能够更好的与聚合物电解质结合，以构建具有丰富电极/电解质界面的一体化电极。优选的，本专利技术中对所述硅粉进行热处理，所述热处理温度为800~1200℃，热处理时间为2h~4h。本专利技术中，通过对硅粉进行热处理，提高硅粉的结晶度并去除硅粉中的有机物杂质，极大的提高了电极的首圈库伦效率。专利技术人在实验中发现，若处理温度过低，会使得结晶度低，影响前期库伦效率；但是若处理温度过高或时间过长，会导致硅过度结晶，硅粉粒径长大，过大的粒径反而会影响硅电极的电性能。
[0009]优选的，所述碳黑的平均粒径为1~200nm。
[0010]优选的，所述阴离子型粘结剂为羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺中的一种。
[0011]优选的，本专利技术中所述阴离子型粘结剂为羧甲基纤维素钠。更优选的，所述羧甲基纤维素钠的置换度为0.3~0.9D.S ,粘度（2%水溶液、25℃）为300~1200 mpa
·
s。
[0012]优选的，所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯、双三氟甲基磺酰亚胺锂、聚氧化乙烯的质量比为1:0.4~1:0.1~0.2。例如可列举的有：1:0.4:0.1，1:0.5:0.1，1:0.6:0.1，1:0.7:0.1，1:0.8:0.1，1:0.9:0.1，1:1:0.1，1:0.4:0.15，1:0.5:0.15，1:0.6:0.15，1:0.7:0.15，1:0.8:0.15，1:0.9:0.15，1:1:0.15，1:0.4:0.2，1:0.5:0.2，1:0.6:0.2，1:0.7:0.2，1:0.8:0.2，1:0.9:0.2，1:1:0.2，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。
[0013]本专利技术中，同时使用聚偏氟乙烯
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六氟丙烯、双三氟甲基磺酰亚胺锂、聚氧化乙烯作为聚合物电解质原料，且三者的质量比为1:0.4~1:0.1~0.2时，制得聚合物电解质具有优异的锂离子转移能力，使用其制得的聚合物电解质硅一体化电极具有优异的电化学性能。聚偏氟乙烯
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六氟丙烯是高分子量、半结晶的氟聚合物，具有较高的介电常数（ε=8.2~10.5），作为聚合物电解质使用时会促进锂盐在聚合物体系中充分解离，且具有优异的成膜性、热稳定性和物理性能（柔韧性和刚度），但是其极易形成结晶性高的结构，不利于锂离子传导且导致较大的界面阻抗。聚氧化乙烯对金属锂电极稳定并且可以使锂盐更好的解离，是常用的聚合物电解质原料，但是其离子转移数较低，使用时会加快电解质分解和锂晶枝的生长，极大影响电解质在大电流密度条件下的充放电能力。专利技术人在实验中意外发现，将两种聚合物配合使用，并且同时使用双三氟甲基磺酰亚胺锂作为锂盐时，能有效解决以上问题。专利技术人分析，当聚偏氟乙烯
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六氟丙烯、聚氧化乙烯两者共混，具有较高的锂离子传导率；此时，聚氧化乙烯能够有效抑制聚合物的内部结晶，使得非晶区域增加，提高了复合聚合物电解质的非晶度，进而进一步提高了锂离子的转移能力；但是若聚氧化乙烯含量过多，可能会与聚偏氟乙烯
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六氟丙烯发生交联阻碍锂离子的运输，导致离子电导率降低。同时，双三氟甲基磺酰亚胺锂作为锂盐，能够提供自由穿梭的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.柔性的聚合物电解质硅一体化电极，其特征在于，所述聚合物电解质硅一体化电极包括硅电极和聚合物电解质；其中，所述硅电极的原料包括硅粉、碳黑和阴离子型粘结剂；所述聚合物电解质的原料包括聚偏氟乙烯
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六氟丙烯、双三氟甲基磺酰亚胺锂、聚氧化乙烯。2.根据权利要求1所述的柔性的聚合物电解质硅一体化电极，其特征在于，所述硅粉、碳黑、阴离子型粘结剂的质量比为1:0.125~0.33:0.125~0.33。3.根据权利要求1所述的柔性的聚合物电解质硅一体化电极，其特征在于，所述硅粉为片状硅粉，所述片状硅粉的片径为1~20um,片厚为1~200nm。4.根据权利要求1所述的柔性的聚合物电解质硅一体化电极，其特征在于，所述硅粉进行热处理，所述热处理温度为800~1200℃，热处理时间为2h~4h。5.根据权利要求1所述的柔性的聚合物电解质硅一体化电极，其特征在于，所述碳黑的平均粒径为1~200nm。6.根据权利要求1所述的柔性的聚合物电解质硅一体化电极，其特征在于，所述阴离子型粘结剂为羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺中的一种。7.根据权利要求1所述的柔性的聚合物电解质硅一体化电极，其特征在于，所述聚偏氟乙烯
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【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：