[發明專利]一種鋰離子電池納米硅基復合纖維負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710799031.1
• 申請日: 2017-09-07
• 公開（公告）號: CN109473633B
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 劉仁虎;余德馨;胡博
• 申請（專利權）人: 上海杉杉科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 王衛彬

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體地說是一種鋰離子電池納米硅基復合纖維負極材料及其制備方法，其特征在于：包括納米纖維基體及均勻分散在納米纖維基體中的納米硅基活性物顆粒和導電聚合物；所述納米纖維基體的質量分數為5?97％，納米硅基活性物顆粒的質量分數為2?70％，所述導電聚合物的質量分數為1?25％；所述納米纖維基體采用將聚合物溶解在有機溶劑中形成的紡絲液靜電紡絲得到；所述納米硅基活物顆粒為含硅的化合物或者復合物中的至少一種。本發明同現有技術相比，其操作簡單，過程環保；且所制備負極材料不僅具有較高的電子傳導能力，而且可以有效緩解納米硅基活性物顆粒的體積膨脹和結構粉化，提高循環性能。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體地說是一種鋰離子電池納米硅基復合纖維負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池具有電化學性能良好、環保無污染、價格低等優勢而被廣泛使用。鋰離子電池的負極材料一般為石墨類碳材料，當前該類材料已經接近其理論比容量(372mAh/g)，但隨著便攜式電子產品及電動汽車領域的快速發展，石墨類碳材料已經很難滿足不斷增長的高能量密度的需求。近年來，Si、SiOx、SiOx/C等硅基材料以其高出石墨類材料數倍的理論比容量而越發地受到研究者的關注，并成為研究熱點和未來鋰離子電池負極材料的發展趨勢。

盡管硅基材料具有較高的理論比容量，但是其在高程度脫嵌鋰的條件下，體積變化巨大，導致硅基材料顆粒粉化、導電性降低，循環穩定性差。目前，解決辦法包括將硅基材料顆粒碳包覆改性、多孔化以及合金化。盡管這些方法取得了一定的成效，但是制備方法都較為復雜，不僅制備周期長，甚至還需要高溫燒結等高能耗過程。因此，鋰離子電池硅基負極材料領域急需一種操作簡單、過程環保的方法。

靜電紡絲是一種廉價且高效的制備納米纖維材料的有效方法。聚合物先驅體通過該方法處理之后可以形成均勻的納米纖維結構?？梢灾苽涑黾{米級的纖維材料。經專利檢索，有授權公告號為CN103305965B的中國發明專利公開了一種具有納米微孔隙的硅碳復合材料及其制備方法與用途，其采用的是靜電紡絲結合氧化、碳化的方法制備得到了一種具有納米微孔隙結構的硅碳復合材料，從而在保證材料整體的電子傳輸能力的前提下，為納米硅顆粒的膨脹預留緩沖空間；申請公布號為CN104037390A的中國發明專利公開了一種硅/碳納米線負載二氧化鈦鋰電池負極材料的制備方法，采用靜電紡絲和氧化、碳化法得到二氧化鈦復合硅/碳納米線負極材料，該材料具有較高的比容量和循環性能；申請公布號為CN105118974A的中國發明專利公開了一種硅基負極材料及其制備方法，采用靜電紡絲和多次碳化的方法制得一種碳包覆硅/碳納米纖維，緩解了硅顆粒的體積膨脹和結構碎裂。

上述三篇專利在經過靜電紡絲過程得到納米復合纖維后均進行了氧化和碳化過程，目的是將纖維基體燒結成碳以提高材料整體的電子傳導能力。但是氧化和碳化過程均為高溫、高能耗過程，且多次在不同溫度不同氣氛下對纖維材料進行熱處理也使得過程復雜難于控制。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，僅需要將靜電紡絲后的復合納米纖維在低溫下進行真空干燥除去溶劑，即可得到最終的鋰離子電池負極材料；一方面該復合材料中的納米硅基活性物顆粒有導電聚合物的包覆可以提高電子傳導能力，另一方面納米纖維基體可以作為二次包覆，可以有效緩解納米硅基活性物顆粒的體積膨脹和結構粉化，從而提高了循環性能。

為實現上述目的，設計一種鋰離子電池納米硅基復合纖維負極材料，其特征在于：

包括納米纖維基體及均勻分散在納米纖維基體中的納米硅基活性物顆粒和導電聚合物；所述納米纖維基體的質量分數為5-97％，納米硅基活性物顆粒的質量分數為2-70％，所述導電聚合物的質量分數為1-25％；

所述納米纖維基體采用將聚合物溶解在有機溶劑中形成的紡絲液靜電紡絲得到；所述的聚合物為聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚偏氟乙烯中的一種或多種；紡絲液中聚合物的濃度為5wt％-20wt％；