[發明專利]聚乙烯醇冷凍-解凍交聯碳化制備多孔硅負極材料的方法

在審

• 申請號: 201610156512.6
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN105789599A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 穆道斌;陳實;姜穎;吳伯榮;趙志坤;黃榮;王睿;范英俊
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 唐華

本發明涉及一種環境友好的鋰離子電池用負極片的制備方法，更具體地，涉及一種硅顆粒與聚乙烯醇冷凍?解凍交聯后碳化制備鋰離子電池用多孔硅負極的方法。利用聚乙烯醇大分子將硅材料包覆起來，通過冷凍?解凍過程生成交聯網絡，再將有機物進行部分碳化，在有效提高硅電極的導電性能的同時，孔隙結構有效地增大了硅材料和電解液的接觸面積，更有利于鋰離子的傳輸。對該多孔硅負極電極片制備的鋰離子扣式電池進行恒流充放電測試，其在0.1C(400mA·g?1)條件下循環50周，充放電比容量能夠保持在800mAh·g?1左右。

技術領域

本發明涉及一種環境友好的鋰離子電池用負極片的制備方法，屬于鋰離子電池零部件制造與裝配技術領域。本發明實施例制備方法簡單，易操作，重復性好，成本低廉，對環境無污染。

背景技術

鋰離子電池具有高能量密度、高工作電壓、長循環壽命和無記憶效應等優點，因而被用于便攜式移動設備、電動汽車、儲能電站等多種領域。隨著生活質量的不斷提高，市場對鋰離子電池的電化學性能和安全性的要求也越來越高。目前，鋰離子電池商用化負極材料主要以石墨為主，但其理論容量僅有372mAh·g-1，已經無法滿足鋰離子電池高能量密度的發展要求。硅材料由于其理論容量高(當形成Li4.4Si化合物時，理論比容量高達4200mAh·g-1)，儲量豐富，制備成本低廉，環境友好等優點，而被研究者視為可替代石墨材料的鋰離子電池用負極材料。在實際應用中，硅材料面臨的主要問題就是在反復的脫嵌鋰過程中發生的劇烈的體積膨脹(～400％)，硅顆粒膨脹后會與周圍材料的擠壓，導致材料結構發生變化，電極的電接觸惡化以及材料粉化，導致電池容量迅速下降以及庫倫效率降低。目前為止，硅電極主要的改善途徑是通過減小硅顆粒的粒徑、在硅顆粒表面包覆碳、制備硅/碳復合物這三種方法。其中，制備硅復合材料來緩解硅材料的體積膨脹是一種比較有效的方法，但此類改性方法的制備過程往往比較復雜，甚至常用到HF等有毒有害溶劑。

聚偏氟乙烯(PVDF)作為商用化粘結劑，其具有可接受的粘度和寬電化學窗口，但是需要使用有毒的NMP作為PVDF的溶劑，另外PVDF是不具有官能團的直鏈結構，僅能通過較弱的范德華力與硅結合，無法起到抑制硅材料體積膨脹的作用，且其會在有機電解液中凝膠化或溶解，因此，PVDF不宜作為硅材料的粘結劑使用。

聚乙烯醇是一種環境友好的水溶性大分子，其鏈結構上有很多羥基，能夠與硅表面的氧化層SiO2通過氫鍵相互作用，但是其直鏈結構仍不能對硅顆粒的體積膨脹起到抑制作用，因而，通過實驗設計使聚乙烯醇發生交聯，生成交聯的網絡結構能夠更好地緩解硅顆粒的體積膨脹。利用聚乙烯醇大分子將硅材料包覆起來，通過冷凍-解凍過程生成交聯網絡，再將有機物進行部分碳化，在有效提高硅電極的導電性能的同時，孔隙結構有效地增大了硅材料和電解液的接觸面積，更有利于鋰離子的傳輸。本發明涉及一種硅顆粒與聚乙烯醇冷凍-解凍交聯后碳化制備鋰離子電池用多孔硅負極的方法。

發明內容

本發明的目的是為了改善鋰離子電池用硅負極材料的電化學性能，提高電極片制備過程中的環境友好性，降低制備過程中對環境的要求，尤其是對濕度的要求，而提出的一種聚乙烯醇冷凍-解凍交聯碳化制備鋰離子電池用多孔硅負極材料的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

聚乙烯醇冷凍-解凍交聯碳化制備多孔硅負極材料的方法，具體步驟如下：

1)將聚乙烯醇溶于去離子水中，加熱攪拌溶解；

2)將硅粉和導電劑研磨混合后，再加入步驟1)制備得到的溶液，研磨均勻后涂布于基材上，所述硅粉、聚乙烯醇和導電劑的質量比為6:3:1或6:2:2；