[發明專利]一種硅基薄膜負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710472669.4
• 申請日: 2017-06-21
• 公開（公告）號: CN107302080A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 王圓方;梁運輝;高川;代建國
• 申請（專利權）人: 天津愛敏特電池材料有限公司
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;H01M4/04;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/134;H01M10/0525
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司12207
• 代理人: 紀百靈

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料領域，特別涉及一種鋰離子電池用硅基薄膜負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著電子產品的快速發展，高能量鋰離子電池的需求逐年增加，硅基負極材料因高比容量備受關注。硅作為鋰離子電池負極材料，其理論容量達到4200 mAh/g，為目前石墨材料容量的10倍。然而，硅材料在充放電過程中會發生巨大的體積變化（>300 %），容易從極片上脫落，導致循環壽命很短。

改進硅材料循環壽命的主要方法是納米化、薄膜化和復合化等。目前研究最熱的是納米硅與大比例石墨復合的研究。該方法以犧牲材料的容量為代價換取好的循環壽命，致使電池的能量密度提升空間有限。而在CN201210396461.6專利中，公開了采用射頻磁控濺射的方法制備硅薄膜的方法。該方法制備的硅薄膜，雖然可以發揮出高的比容量和良好的循環性能，但是其規模化制備仍是一個巨大的挑戰，而且電極材料負載量以及孔隙率的控制也是一個挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種工藝簡單、成本低廉，可以有效地控制制備硅基薄膜負極材料及其制備方法，提高硅基薄膜負極材料的制備效率，并顯著改善其負載量及循環壽命。

為此，本發明的技術方案如下：

一種硅基薄膜負極材料及其制備方法，包括如下步驟：

（一）將硅納米材料和碳源前驅體共同分散在溶劑中形成漿料；

（二）將所述步驟（一）制備的漿料涂覆在鋰電池用導電集流體上，烘干，碾壓；

（三）將所述步驟（二）中所得極片置于真空或者惰性氣氛中，在400 ~ 1200 ℃下高溫熱處理，即制得用于鋰離子電池的硅基薄膜負極材料。

優選地，步驟（一）中的硅納米材料為硅單質、硅氧化物以及兩者的復合物，平均粒徑為20 ~ 800 nm。所述的硅納米材料可以是粉體形態，或者是已經預先分散好的漿料形態。

優選地，步驟（一）中的碳源前驅體與硅納米材料的重量比為1:2 ~ 1:100。

優選地，步驟（一）中漿料的固含量不超過60 %。

優選地，步驟（二）中電極材料碾壓后的厚度為0.05 ~ 50 μm。

在步驟（一）中，硅納米材料為納米化處理的硅材料，能夠極大程度上提高硅基薄膜負極材料的循環性能，同時可在很大范圍內調節材料的涂覆厚度，以適應鋰離子電池對不同能量密度的設計需求。

在步驟（一）中，碳源前驅體包括常用的作為碳包覆的有機物或者分散劑。碳源前驅體在漿料階段主要起著分散納米硅基材料的作用；高溫碳化處理時，發揮抑制納米硅材料長大、阻止納米硅與集流體合金化反應、調節電極材料中的孔隙率、提高電極材料導電性等重要作用。

優選地，碳源前驅體為瀝青、葡萄糖、蔗糖、樹脂、CMC、PVdF中的一種或幾種。

在步驟（一）中，通過調節漿料的固含量，可滿足轉移涂覆、噴涂等多種涂覆工藝對漿料的要求，同時也方便調控電極材料的厚度。

在步驟（二）中，電極材料在烘干后需要碾壓，以提高納米硅材料之間以及電極材料與導電集流體之間的結合力。

本發明提供了所述的硅基薄膜負極材料制備方法制得的硅基薄膜負極材料。

本發明提供了所述的硅基薄膜負極材料制備方法制得的硅基薄膜負極材料在鋰離子電池方面的應用。

本發明以納米化的硅基材料為主要活性物質，加入少量碳源前驅體實現電極材料的造孔、包碳，再通過簡單的涂覆碾壓及后續高溫熱處理工藝，制備性能優異的硅基薄膜負極材料。采用納米化的硅基材料可以提高材料的循環性能；采用的碳源前驅體在熱分解后留下孔隙可以改善硅基薄膜負極材料的電解液浸潤性和緩沖硅充放電時的體積膨脹，而其熱分解所形成的碳又可改善電極材料的導電性，進而保證硅基薄膜負極材料的容量發揮；采用極片碾壓后熱處理工藝，可提高電極材料的體積能量密度，同時也提高了納米硅基材料之間以及與集流體之間的結合力，穩定電極材料的導電網絡，進而改善材料的循環壽命。

與現有制備硅薄膜的技術方案相比，本發明具有如下優點：

1）所采用的工藝簡單，成本低廉，易于大批量、連續化生產。

2）適度碾壓也可將液相涂覆制備電極材料的較大孔隙率調控在合適的范圍，既利于緩沖硅在充放電過程中的體積膨脹，又有利于材料容量發揮和循環壽命的提高。

3）電極材料的厚度易于調控，滿足電池對不同體積能量密度的需求。

4）碳源前驅體熱分解形成的碳導電網絡可以穩定電極結構，同時阻隔電解液與硅基材料直接接觸，有利于提高材料的循環性能。