[發明專利]一種三連續Si/C多孔電極及其應用

在審

• 申請號: 201611056713.5
• 申請日: 2016-11-26
• 公開（公告）號: CN108123104A
• 公開（公告）日: 2018-06-05
• 發明（設計）人: 張洪章;張華民;楊曉飛;李先鋒;于瀅;陳雨晴
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/38;H01M4/60;H01M10/0525
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種三連續Si/C多孔電極及其應用，以一種或兩種以上有機高分子樹脂與Si/C復合物混合，通過浸沒相轉化法制備而成三連續Si/C多孔電極，高分子樹脂的質量占電極總質量的3wt％～50wt％。該類三連續Si/C多孔電極制備方法簡單，工藝環保，電極厚度可控，孔徑大小、孔隙率可調。對于三連續Si/C多孔電極，首先，粘結劑浸沒相轉化中形成了連續彈性多孔網絡結構能夠將Si/C材料緊緊包覆在其中，能夠體積膨脹帶來的不良影響，其次，連續貫通多孔結構，可以作為離子傳輸通道，加速鋰離子的傳輸；最后，連續的三維導電網絡，有利于電子傳導。

技術領域

本發明涉及一種三連續Si/C多孔電極。

背景技術

在商業化的二次電池中，鋰離子電池是目前能量密度最高的二次電池，但是基于“脫嵌”理論的鋰離子電池，其理論比容量目前小于300mA h g^-1，實際能量密度小于300Whkg^-1，遠不能滿足人們對電動汽車500km續航的需求。其中商業化的鋰離子電池主要以石墨作為儲鋰材料，表現出良好的電化學穩定性。但是，其理論比容量僅為372mA h g^-1，在很大程度上限制了鋰離子電池能量密度的提高。因此，發展一種具有高理論比容量的負極儲鋰材料迫在眉睫。其中，Si由于理論比容量高達4210mA h g^-1，且在0～0.5V較窄的電壓范圍內工作而在眾多負極材料中脫穎而出。其與碳材料復合而成的Si/C復合材料具有較高的導電性，且在一定程度上緩解體積膨脹造成的材料粉化而備受關注。

目前，Si/C負極主要集中于電極材料的研究，而忽略了電極結構設計及電極制備工藝設計的優化。傳統刮涂烘干制備的Si/C負極孔隙率低，電極內部的鋰離子傳輸較差，倍率性能較差。且在干燥過程中，粘結劑容易再次晶化，結晶度高，韌性差，難以阻礙材料在鋰脫嵌過程中體積變化對材料結構的破壞，循環穩定性差。以上種種問題都將嚴重阻礙Si/C負極在鋰離子電池中的應用。

本發明中的三連續Si/C多孔電極在浸沒相轉化過程中，瞬間成型，一步合成。一方面，粘結劑浸沒相轉化中形成了類似多孔膜的連續彈性多孔網絡結構能夠將Si/C材料緊緊的包覆在其中，能夠大大緩解充放電過程中體積膨脹帶來的不良影響，提高電池的循環性能；另一方面，通過浸沒相轉化法形成的連續貫通多孔結構，可以作為離子傳輸通道，有利于鋰離子的傳輸和電解液的浸潤，且連續的Si/C復合材料相構建出連續的三維導電網絡，可作為電子傳輸路徑，加速了電子傳導；基于良好的電子導電性和離子導電性，有利于提高電池的倍率性能；綜上所述，三連續Si/C多孔電極作為鋰離子電池負極材料，在電極制備工藝、經濟性及電池性能等各方面都表現出巨大的優勢，具有良好的應用前景。通過對三連續Si/C多孔電極工藝參數的調節，進一步提高鋰離子電池性能，具有重要的實用意義。

發明內容

本發明目的在于提供一種三連續Si/C多孔電極及其應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種三連續Si/C多孔電極，

以一種或兩種以上有機高分子樹脂與Si/C復合物混合，通過浸沒相轉化法制備而成三連續Si/C多孔電極，高分子樹脂的質量占電極總質量的3wt％～50wt％，優選10wt％～25wt％。

所述高分子樹脂為聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)中的一種或二種以上；

所述Si/C復合物為碳材料與Si的復合物，Si/C復合物中Si的質量占總質量的20wt％～80wt％，優選30wt％～60wt％；碳材料為碳納米管、石墨烯、碳納米纖維、BP2000、KB600、KB300、XC-72、Super-P、乙炔黑、活性炭中的一種或兩種以上。