[發(fā)明專(zhuān)利]碳硅復(fù)合電極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410064482.7
• 申請(qǐng)日: 2014-02-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104868095B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李富生;吳乃立;周憲聰;吳玉祥;陳伯坤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 江門(mén)市榮炭電子材料有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/133
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/133;H01M4/134;H01M4/1393;H01M4/1395
• 代理公司: 北京申翔知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11214
• 代理人: 黃超,周春發(fā)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于一種碳基材電極材料，特別是關(guān)于一種碳硅復(fù)合電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池的發(fā)展在很大的程度上，取決于高性能正、負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。目前實(shí)用的中間相碳微球材料(MCMB)制備成本偏高。而天然和人造石墨方面，為了降低初期不可逆電容量和提升循環(huán)壽命，需要以瀝青類(lèi)芳烴化合物材料進(jìn)行表面改質(zhì)，制備過(guò)程中需要1300℃以上的高溫下實(shí)施碳化，其中，原材料(瀝青類(lèi)芳烴化合物)價(jià)格波動(dòng)大，以及高溫碳化下所產(chǎn)生的環(huán)境污染與能源大量消耗，皆不是長(zhǎng)久永續(xù)經(jīng)營(yíng)的方向。

另外尚有專(zhuān)利使用其不同的水溶性高分子聚丙烯酸PAA(polyacrylic?acid)或羧甲基纖維素鈉CMC(Carboxymethyl?Cellulose?Sodium)，分別作為包覆材料或替代漿料配制中的黏著劑。在比較單一水性高分子與此專(zhuān)利技術(shù)部分，如同上面所述，以單一高分子PAA或CMC包覆的均勻性和降低鋰離子不可逆的效率較差。另外若是將此單一PAA材料應(yīng)用于漿料配制中的黏著劑方面，配制出來(lái)的漿料其懸浮能力較差，需要再搭配其他的增稠劑，以避免其活性顆粒發(fā)生沉降而影響其漿料的均勻性，另外產(chǎn)生出來(lái)的極片偏脆偏硬，不利于電極片后續(xù)卷繞制程加工。其原因在于若是要針對(duì)負(fù)極材料做表面修飾，其分子量較低則會(huì)有較好的包覆效果(更容易滲入微孔中)。但相反地，若是要應(yīng)用于漿料中的黏著劑，則分子量較高則會(huì)有較好的懸浮性和分散性。

另一方面，現(xiàn)有的碳基材表面改質(zhì)制程，大多使用有機(jī)溶劑來(lái)調(diào)制欲進(jìn)行包覆的高分子溶液。雖然可以在制備過(guò)程中，得到均勻分散的效果，但是，不僅在制備過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生許多有機(jī)廢料，所使用的有機(jī)溶劑也溶液產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile?organic?compounds,VOC)也容易產(chǎn)生環(huán)保問(wèn)題，甚至對(duì)操作者造成傷害。

在電極材料的研發(fā)過(guò)程中，研究人員們后來(lái)發(fā)現(xiàn)，只使用碳基材或是表面改質(zhì)的碳基材，雖然可以有良好的導(dǎo)電性，可是，在進(jìn)一步提升有效的電容量的表現(xiàn)方面，卻是仍有待改善。于是，以碳基材混合具半導(dǎo)體特性的電池負(fù)極材料所衍生出的復(fù)合材料，也成了電極材料的研究對(duì)象。最常見(jiàn)的，是以碳基材與硅所構(gòu)成的碳硅復(fù)合電極材料。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的碳硅復(fù)合電極材料。其主要是在碳基材120表面上，沾附復(fù)數(shù)個(gè)硅粒子140，希望藉由碳基材表面的硅粒子來(lái)提升電池循環(huán)電容量。然而，因?yàn)楣枇Ｗ颖旧聿蝗菀子行Х稚⒂谔蓟牡谋砻?，所以，碳基?20表面的硅粒子140常會(huì)出現(xiàn)有些地方有硅粒子140聚集，但是有些地方卻完全沒(méi)有硅粒子沾附的團(tuán)聚現(xiàn)象(aggregation)。此一問(wèn)題除了表現(xiàn)于圖1，也可同時(shí)由圖4A與圖4B的照片中可以看出。另一方面，因?yàn)楣枇Ｗ?40與碳基材120之間的連結(jié)并不強(qiáng)，所以，往往在后續(xù)制程中，會(huì)有許多已經(jīng)分散且沾附于碳基材120表面的硅粒子140從碳基材120的表面脫落，而變成無(wú)效分散的硅粒子140’。使得原本想藉此設(shè)計(jì)來(lái)提升電池電容量的效果大打折扣。

有鑒于此，開(kāi)發(fā)可增加有效地將含硅粒子組合在碳基材表面，進(jìn)而大幅提升鋰離子電池的有效循環(huán)電容量、提高充放電的功率與循環(huán)壽命的碳硅復(fù)合電極材料及其制備方法，是一項(xiàng)相當(dāng)值得產(chǎn)業(yè)重視且可有效提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的課題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述的發(fā)明背景中，為了符合產(chǎn)業(yè)上的要求，本發(fā)明提供一種碳硅復(fù)合電極材料及其制備方法，上述碳硅復(fù)合電極材料，不僅制程簡(jiǎn)易、成本便宜，更具有可提升鋰離子電池的有效循環(huán)電容量與延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命等優(yōu)越性能，更好的是，上述碳硅復(fù)合電極材料的制備方法可于水溶液中進(jìn)行分散，進(jìn)而可同時(shí)兼具環(huán)保與有效提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的效果。

本發(fā)明的一目的在于提供一種碳硅復(fù)合電極材料及其制備方法，藉由分別采用有機(jī)高分子對(duì)碳基材與含硅粒子進(jìn)行表面改質(zhì)，以提升含硅粒子與碳基材之間的接合性和均勻性，進(jìn)而大幅提升使用此一表面改質(zhì)后的碳硅復(fù)合電極材料，作為電極的電池的有效循環(huán)電容量。

本發(fā)明的另一目的，在于提供一種碳硅復(fù)合電極材料及其制備方法，藉由采用含碳導(dǎo)電層來(lái)包覆已附著含硅粒子的含碳粒子，以提升含硅粒子與含碳粒子之間的有效接觸，進(jìn)而大幅提升使用此一碳硅復(fù)合電極材料作為電極的電池的有效循環(huán)電容量。

本發(fā)明的又一目的，在于提供一種碳硅復(fù)合電極材料及其制備方法，藉由采用有機(jī)高分子對(duì)碳基材進(jìn)行表面改質(zhì)，并在上述經(jīng)表面改質(zhì)的含碳粒子表面均勻分散以有機(jī)高分子包覆的含硅粒子，以減少充放電期間碳硅復(fù)合電極材料的體積變化，所造成的結(jié)構(gòu)破壞與剝落現(xiàn)象，進(jìn)而更加延長(zhǎng)使用此一表面改質(zhì)后的碳硅復(fù)合電極材料作為電極的電池的循環(huán)壽命。