用于锂离子电池的电极及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种用于锂离子电池的电极，其由硅、碳和碳纤维薄片的三元复合体构成。本发明专利技术还涉及制造用于锂离子电池的硅/碳/碳纤维薄片复合电极的方法，其包括以下步骤：A.将硅和热处理后生成碳的有机物质混合于溶剂中以形成浆液，B.将碳纤维薄片浸入所述浆液中，使浆液涂布并渗透所述碳纤维薄片，以及C.将涂布并渗透浆液的碳纤维薄片在至少400℃于惰性气体气氛或混合还原性气体的惰性气体气氛中加热至少2小时。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电极，更具体地是涉及一种由硅、碳和碳纤维薄片的三元复合体构成的用于锂离子电池的电极。本专利技术还涉及该电极的制造方法。
技术介绍
当前，锂离子电池通常用于手机、笔记本、相机和电动工具等设备或工具中，其最重要的负极材料是石墨。随着汽车工业向电驱动技术的转变，开发高能量密度型的锂离子电池已经成为电动汽车行业的迫切需求。目前使用的石墨负极储锂容量较低是电池能量密度较低的重要原因之一。目前，研究人员已经认识到，如果使用硅复合物代替石墨，锂离子电池负极的容量可以增加好多倍。现有技术中已有建议使用硅/碳复合物代替石墨，常规的硅/碳复合物， 通常通过热解、机械混合并高能球磨、或者二者结合等方法来制备，所述复合物由在致密碳基体中镶嵌硅颗粒构成。然而，此类方法制备的硅/碳复合物只能从一定程度上抑制Si的体积变化效应，从而仅能提供有限的稳定性和循环寿命。当在充放电期间硅材料的结构中嵌入锂离子时，容易发生结构破裂和粉末化，因此电池的循环能力非常差。另外，现有技术公开了硅碳活性层与刚性铜集流体层形成的复合电极。对于类似于硅这种具有大体积效应的锂离子电池负极材料而言，在充放电过程中，硅碳活性层发生巨大的体积变化，不仅在活性层内部引起很强的机械应力，也在硅碳活性层与刚性铜集流体层之间产生机械应力，导致硅材料粉化剥落，材料颗粒之间以及涂层与铜集流体之间脱开失去电接触，以致充放电容量急剧下降，电池很快失效。因此，目前仍急需能够克服上述缺陷的锂离子电池负极，以解决电池充放电容量急剧下降、电池很快失效等问题，使锂离子电池可大量应用于混合电动车、插入式混合电动车和纯电动车中。
技术实现思路
根据一个方面，本专利技术提供一种用于锂离子电池的电极，其由硅、碳和碳纤维薄片的三元复合体构成。在一个实施方案中，所述碳是单质碳。在另一个实施方案中，所述碳是由热处理后可生成碳的有机物质经热处理生成的。在一个实施方案中，所述电极中硅与碳的重量比在4. 0-0. 1的范围内，优选在 2. 33-0. 50的范围内。在另一个实施方案中，所述电极中以硅/碳/碳纤维薄片的三元复合体总重量为基准，硅与碳的总重量含量大于20 %。根据另一个方面，本专利技术还提供制造硅/碳/碳纤维薄片复合电极的方法，其包括以下步骤Α.将硅和热处理后生成碳的有机物质混合于溶剂中以形成浆液，B.将碳纤维薄片浸入所述浆液中，使浆液涂布并渗透所述碳纤维薄片，以及C.将涂布并渗透浆液的碳纤维薄片在至少400°C于惰性气体气氛或混合还原性气体的惰性气体气氛中加热至少2小时。在本专利技术方法的一个实施方案中，步骤A中的热处理后生成碳的有机物质是指本领域已知的任何有机物质，只要其能够在热处理后生成碳。其可以是选自以下组中的物质 浙青、聚氯乙烯、聚丙烯腈、酚醛树脂和蔗糖。在本专利技术方法的一个实施方案中，步骤C中所用惰性气体为氩气(Ar)，还原性气体为氢气(H2)，并且优选氩气与氢气的体积比为90-100 10-0。在本专利技术的方法的步骤C中，优选在惰性气体气氛或混合还原性气体的惰性气体气氛中加热是在400-1000C的温度下，加热进行至少2小时。附图说明以下将结合附图来进一步详细描述本专利技术。其中图Ia所示为碳纤维薄片的照片；图Ib所示为碳纤维薄片的扫描电镜照片，图中放大倍率为250倍；图Ic所示为本专利技术的硅/碳/碳纤维薄片复合电极的扫描电镜照片，图中放大倍率为250倍；图2所示为使用本专利技术方法制造的本专利技术的硅/碳/碳纤维薄片复合电极(1号电极)、使用现有方法制造的硅/碳/碳纤维薄片电极O号电极)与使用现有方法制造的硅/碳/铜箔片复合电极(3号电极)的充放电循环性能比较示意图；以及图3所示为本专利技术的具有不同重量含量硅/碳的硅/碳/碳纤维薄片复合电极 (1、4、5号电极)之间的充放电循环性能比较示意图。具体实施例方式本专利技术首先涉及一种新型的用于锂离子电池的电极，其由硅、碳和碳纤维薄片的三元复合体构成。该硅、碳和碳纤维薄片的三元复合体以下也简称为三元复合体。本文中所用术语“三元复合体”是指由硅和碳分布于碳纤维薄片孔隙中形成。所述分布于碳纤维薄片中的碳可以使任何形态的单质碳，也可由通过热处理后生成碳的有机物质形成。本专利技术中的“硅”是指单质硅，其例如可以是单晶硅、多晶硅、无定形硅等。单质硅的颗粒越小，其性能越佳。本专利技术中的“碳”是指单质碳，其可由热处理后生成碳的有机物质形成。所述热处理后生成碳的有机物质是指本领域已知的任何有机物质，只要其能够在热处理后生成碳。 其优选为选自以下组中的物质浙青、聚氯乙烯、聚丙烯腈、酚醛树脂、蔗糖等，更优选为聚氯乙烯(PVC)。在根据本专利技术的电极中，硅与碳之间的比例可以根据最终产品的性能由本领域技术人员来确定。例如，如果需要提高电极的电容量，则可以提高硅的比例。反之，如果需要提高电极的稳定性和循环寿命，则可以提高碳的比例。根据本专利技术的电极中，硅与碳的重量比优选在4. 0-0. 1的范围内，更优选在2. 5-0. 25的范围内，最优选2. 33-0. 50。如果硅的比例过高，则使电极结构破坏和粉化的可能性提高；而如果碳的比例过高，则有可能使电极的容量偏低。在本专利技术的电极中，以硅、碳和碳纤维薄片的三元复合体总重量为基准，硅与碳的总重量含量可以由本领域技术人员根据对该电极的最终需求来确定。例如，如果优先考虑电极的机械稳定性，则硅与碳的重量含量较小。反之，如果优先考虑电极的容量和循环特性，则可以适当提高硅与碳的重量含量。优选地，以硅、碳和碳纤维薄片的三元复合体总重量为基准，硅与碳的总重量含量大于20%。作为用于锂离子电池的硅/碳/碳纤维薄片复合电极的一部分，本专利技术所用的碳纤维薄片不同于传统的铜箔片，其是具有多孔结构的碳纤维编织层。具体而言，本专利技术中所用的“碳纤维薄片”是指具有孔隙的碳纤维薄片，其中各碳纤维交叉重叠形成多孔隙结构。 该碳纤维薄片包括各种由不同原材料以及制造工艺制得的碳纤维，例如可以是日本Toray 公司生产的型号为TGP-H-030的碳纤维薄片。参见图Ia和lb，其显示了一个实施方案的碳纤维薄片的结构，由图Ib中可看出纤维之间具有孔隙。该碳纤维薄片较薄。所使用的碳纤维薄片可以是任何形状的，例如圆形、方形、不规则形状等，其形状可以根据需要来确定。参见图lc，其显示了根据本专利技术一个实施方案的三元复合体的结构。在该三元复合体中，硅和碳涂布在碳纤维薄片上并渗透到碳纤维薄片孔隙中。根据另一个方面，本专利技术还包括制造硅/碳/碳纤维薄片复合电极的方法，其包括A.将硅和热处理后生成碳的有机物质混合于溶剂中以形成浆液，B.将碳纤维薄片浸入所述浆液中，使浆液涂布并渗透所述碳纤维薄片，以及C.将涂布并渗透浆液的碳纤维薄片在至少400°C下于惰性气体气氛或混合还原性气体的惰性气体气氛中加热至少2小时。在上述方法的步骤A中，首先将作为原料的硅和热处理后生成碳的有机物质混合于溶剂中，如果需要可进行适当搅拌，从而形成浆液。这里所用的原料“热处理后生成碳的有机物质”是指本领域已知的任何有机物质，只要其能够在热处理后生成碳。其可以是选自以下组中的物质浙青、聚氯乙烯、聚丙烯腈、酚醛树脂、蔗糖等，更优选为聚氯乙烯。所述溶剂可以是任何合适的溶剂，只要其不与作为原料的热处理后生成碳的有机物质或硅发生反应，优选容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张敬君，周龙捷，杨军，贾海平，
申请(专利权)人：上海交通大学，罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：