[發明專利]鋰電池硅基負極材料及其制備方法、電池負極和鋰電池

有效

• 申請號: 201710836743.6
• 申請日: 2017-09-17
• 公開（公告）號: CN107732169B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 許軍;李馳麟;張正河;徐志新;李金鐘
• 申請（專利權）人: 亞士創能科技（上海）股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/134;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種鋰電池硅基負極材料及其制備方法、電池負極和鋰電池，所述鋰電池硅基負極材料包括硅材料、聚多巴胺包裹導電炭黑顆粒、無機硅酸鹽和聚丙烯酸，其中，所述聚多巴胺包裹導電炭黑顆粒由多巴胺和導電炭黑制成。該鋰電池硅基負極材料，在常溫下通過物理共混的方法制成，成本低；其不僅包含PAA自身通過酯化交聯構建出來的網絡結構，同時無機硅酸鹽與多巴胺、PAA之間實現多次交聯，可大幅提高硅基負極材料充放電的循環性能和減小電池容量的衰減；此外，該鋰電池硅基負極材料可以在充放電循環過程中對電極的機械損壞起到一種修復作用，進一步提高硅負極材料充放電的循環性能和減小電池容量的衰減?？朔爽F有技術的缺陷，實現了發明目的。

技術領域

本發明涉及鋰電池技術領域，更具體而言，涉及一種鋰電池硅基負極材料及其制備方法，以及采用該鋰電池硅基負極材料制成的電池負極和鋰電池。

背景技術

由于擁有較高的能量密度、功率密度以及工作電壓，鋰離子電池已經被廣泛應用于電子器件、動力汽車等領域。盡管傳統的石墨負極材料在安全性能方面表現優異，但其理論比容量只有372mAh/g，其作為鋰電池的負極一直束縛著鋰離子電池的發展。隨著人們對具有更高能量密度鋰離子電池的迫切需求，硅基負極材料逐漸進入科研者們的視野，因為其擁有著高達4200mAh/g的理論比容量，且其還具有相對較高的放電電勢、環境友好、資源豐富、價格低廉等優點，被制成鋰電池的負極使用。但是，硅基負極材料在鋰化/去鋰化過程中，會發生約300％的體積膨脹和收縮，這一缺陷直接導致硅基負極材料極易從導電網絡中脫落，影響循環穩定性，同時在硅基負極材料表面不斷生成的固體電解質界面膜(SEI)，也會誘導硅基負極材料的比容量快速衰減，因此開發具有穩定結構的硅基負極材料對于解決鋰離子電池負極端的難題至關重要。

近年來，為了降低硅基負極材料在鋰化/去鋰化過程中產生約300％體積膨脹和收縮的影響，進而防止硅基負極材料從導電網絡中脫落，科研人員們從不同角度出發，已經做出了非常廣泛的研究成果。其中，提高硅基負極材料循環性能的方法主要包括：材料納米化、復合化、以及結構特殊化等。但是這些提高硅基負極材料性能的措施存在成本較高、工藝繁瑣、難以廣泛應用等缺點。

現有硅基負極材料是包含聚丙烯酸(PAA)作為粘結劑的一種具有高強度、高韌性以及強粘附性的水溶性聚合物。PAA可以利用其含有的大量羧基自身或者與其他輔助聚合物(例如羧甲基纖維素鈉CMC、聚乙烯醇 PVA)上的羥基在高溫作用下發生部分化學交聯，從而提高了硅基負極材料的循環性能。但是，其實現交聯的條件屬于高耗能，同時隨著環境條件的變化，該類酯鍵還不穩固的，自我修復能力有限，且其交聯程度也無法得到定量控制，無法徹底解決充放電過程中由于大量鋰離子的脫嵌導致的劇烈體積膨脹所帶來的循環性能差和電池容量衰減迅速的缺陷。

因此，迫切需要一種能耗低、循環性能好、電池容量衰減小的硅基負極材料。

發明內容

為了解決上述問題或者問題之一，本發明提供了一種鋰電池硅基負極材料，循環性能有很大提升，成本低、環保效果明顯，循環性和導電性好等優點。

具體來說，本發明的一方面，提供了一種鋰電池硅基負極材料，其特征在于，包括硅材料、聚多巴胺包裹導電炭黑顆粒、無機硅酸鹽和聚丙烯酸，其中，所述聚多巴胺包裹導電炭黑顆粒由多巴胺和導電炭黑制成。

本發明提供的上述鋰電池硅基負極材料，在常溫下通過物理共混的方法制成，成本低；其不僅包含PAA自身通過酯化交聯構建出來的網絡結構，同時無機硅酸鹽與多巴胺、PAA之間的離子間相互作用，以及與多巴胺上鄰苯二酚的動態共價鍵相互作用，實現多次交聯，可以對硅基負極材料起到多重穩固作用，大幅提高硅基負極材料充放電的循環性能和減小電池容量的衰減；此外，該鋰電池硅基負極材料可以在充放電循環過程中對電極的機械損壞起到一種修復作用，進一步提高硅負極材料充放電的循環性能和減小電池容量的衰減。克服了現有技術的缺陷，實現了本申請的發明目的。