[發明專利]鋰離子電池負極材料結構、鋰離子電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201710537938.0
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107394138B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 方小紅;尤瑩;萬吉祥;徐一麟;陳小源
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海高等研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種鋰離子電池負極材料結構、鋰離子電池及其制備方法，所述制備方法包括如下步驟：1）將硅納米材料、碳納米材料及添加劑置于有機溶劑中配制出分散液；2）提供金屬催化襯底，將所述分散液涂覆于所述金屬催化襯底的上表面；3）在步驟2）得到的結構的上表面形成石墨烯薄膜。本發明的電池負極材料結構不僅保留了硅負極材料和石墨烯的固有特性，亦可發揮兩者之間的協同效應；同時，可實現硅納米材料/碳納米材料復合薄膜與金屬催化襯底集流體之間的有效接觸，不僅可以提供高效的儲鋰能力，亦緩解了硅納米材料在充放電過程中較大的體積變化，有效抑制和改善負極材料內部應力的產生避免負極材料粉化。

技術領域

本發明屬于材料制備加工技術領域，特別是涉及一種鋰離子電池負極材料結構、鋰離子電池及其制備方法。

背景技術

自日本索尼公司成功研制出第一代鋰離子電池，由于其能量密度高，循環壽命長以及環境污染小等諸多優點使它成為了大多數便攜式電子設備所青睞的首選電池。鋰離子電池由正極、負極、電解液和隔膜組成。通常情況下，鋰離子的正極由含鋰的金屬化合物(如鈷酸鋰(LiCoO₂)、磷酸鐵鋰(LiFePO₄)和錳酸鋰(LiMn₂O₄)構成。而負極由能夠可儲存鋰離子的材料組成，如碳、過渡金屬以及其他合金材料(如硅、鍺)。負極材料的選擇對鋰離子電池的電化學性能和循環穩定性都具有較大的影響。石墨雖然廣泛應用于鋰離子電池負極材料，但是由于其較低的理論比容量以及充放電能力差等缺點限制了鋰離子電池儲鋰性能的提升。為了提高鋰離子電池的能量密度和儲鋰能力，科研人員正在不斷探索更加適用于鋰離子電池負極的材料，以期研制出更高質量和安全性好的鋰離子電池。

硅由于其超高的理論比容量以及理想的工作電壓，使其被認為是最有發展前景的負極材料之一。但是硅作為鋰離子電池負極也有劣勢，就是在反復脫-嵌鋰過程中，材料體積發生大的變化，電極內部產生較大的應力，使負極材料粉化致使結構破壞，電化學循環性能差。同時，由于硅電極體積的改變，使得電極表面形成的固體電解質界面膜(SEI)不斷破裂，導致其失去阻止有機溶劑分子進入到電極材料中的功能。而且，重新暴露的電極表面會與電解液反應以形成新的SEI膜，如此反復致使SEI膜的厚度不斷增加最終導致儲鋰性能的大幅衰減，嚴重限制了硅在鋰離子電池中的應用和發展。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種鋰離子電池負極材料結構、鋰離子電池及其制備方法，用于解決現有技術中的石墨作為鋰離子電池負極而存在理論比容量低、充放電能力差的問題，以及硅作為鋰離子電池負極而存在的提及變化大、循環穩定性差的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種鋰離子電池負極材料結構的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

1)將硅納米材料、碳納米材料及添加劑置于有機溶劑中配制出分散液；

2)提供金屬催化襯底，將所述分散液涂覆于所述金屬催化襯底的上表面；

3)在步驟2)得到的結構的上表面形成石墨烯薄膜。

作為本發明的鋰離子電池負極材料結構的制備方法的一種優選方案，步驟1)中，所述硅納米材料包括硅納米顆粒、硅納米線或硅納米纖維中的至少一種。

作為本發明的鋰離子電池負極材料結構的制備方法的一種優選方案，步驟1)中，所述碳納米材料包括碳納米管、碳納米纖維、石墨烯粉體或富勒烯中的至少一種。

作為本發明的鋰離子電池負極材料結構的制備方法的一種優選方案，步驟1)中，所述添加劑包括導電添加劑、穩定劑和粘結劑中的至少一種。

作為本發明的鋰離子電池負極材料結構的制備方法的一種優選方案，所述導電添加劑包括乙炔黑或石墨中的至少一種。