[發明專利]一種鋰離子電池復合材料及其復合電極的制備方法

有效

• 申請號: 201810019135.0
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN108565406B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 孔麗娟;張德仁;張寶鳳;徐子福
• 申請（專利權）人: 安普瑞斯（無錫）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: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

本發明涉及一種鋰離子電池復合材料及其復合電極的制備方法，將納米硅加到鹽酸多巴胺溶液中，在硅表面形成聚多巴胺包裹層；同時用一步溶劑熱法制備石墨烯量子點，將其摻雜到海藻酸鈉粘結劑中，制備復合電極材料。本發明中，聚多巴胺包裹層能夠緩沖硅球巨大的體積膨脹，有效提高硅基負極材料的穩定性。石墨烯量子點的摻雜使粘結劑層擁有更高的機械性能、彈性性能，因而在電解液里具有更持久的溶脹性，多次循環后還能為硅巨大體積變化發揮可逆性的緩沖作用，進而保證充放電過程中電極的結構完整性。同時，石墨烯量子點具有一定導電性，從而改善粘結劑層的導電性能。因而電極展現出好的電化學性能，可廣泛用于各種大容量鋰離子電池。

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池復合材料及其復合電極的制備方法，屬于鋰離子電池技術領域

背景技術

現代經濟的發展主要建立在化石能源之上。然而，21世紀，一半經濟所依賴的資源在快速損耗。由于能源短缺，包括蓄電池、燃料電池、電化學電容器在內的電化學能源存儲技術相繼出現。這些能源轉換裝置中，具有能量密度高、循環壽命長、環境友好、無記憶效應等優勢的鋰離子電池將發揮舉足輕重的作用。隨著生活水平的提高和技術進步，人們對鋰離子電池性能提出了更高要求。

商業化鋰離子電池負極材料主要是石墨，然而低的儲鋰容量(372mA h g^-1)很難滿足高性能鋰離子電池的需要。目前，硅是具有最高理論儲鋰容量(4200mA h g^-1)的負極材料，是石墨電極容量的十倍左右。此外，硅的鋰化反應電壓平臺為0.2～0.3V，高于石墨電極(﹤0.1V)，可以避免鋰枝晶的形成，減少充放電過程中產生的安全問題。然而，將硅基材料大規模轉換成鋰離子電池使用的負極材料還有一段過程。這是由于硅負極具有極不穩定的循環性能、很低的本征電子傳導性和鋰離子擴散系數。其中硅負極在使用過程中面臨的最大挑戰是材料在充放電過程中產生巨大的體積變化，達到400％。如此巨大的體積效應將導致一系列問題(Wu H，Cui Y.Designing nanostructured Si anodes for high energylithium ion batteries.Nano Today，2012，7(5):414-429)，比較典型的為：電極材料容易粉化脫落，與集流體剝離分開，導致電池可逆容量衰減、循環性能變差；電極材料表面很難形成穩定的SEI膜，不斷形成的新鮮斷裂表面與電解液發生反應形成新的、不穩定的SEI膜，造成電極材料和電解液大量被消耗，導致比容量迅速衰減、庫倫效率降低。此外，電極材料的電子傳導性很低，不能有效參與充放電的過程，導致電池容量衰減。

研究人員在提高硅負極電化學性能方面進行了大量嘗試，其中“復合化”方法較為簡單，且復合材料選擇廣泛，目前已發展成為硅負極主要的改性方法。此外，經過廣泛研究和反復試驗發現，不僅活性材料的復合、優化影響鋰電池性能，而且電極結構的穩定性也很重要。其中，特別針對具有巨大體積效應的材料，作為電極必要組成部分，粘結劑的選擇、優化至關重要。傳統的粘結劑已經不能滿足需求。為此，本專利探索出一種鋰離子電池復合材料及其復合電極的制備方法，用于改善硅基負極的電化學性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種鋰離子電池復合材料及其復合電極的制備方法，用于改善硅基負極的電化學性能。本發明將納米硅球加到鹽酸多巴胺溶液中，在硅球表面形成聚多巴胺包裹層，同時用一步溶劑熱法制備出尺寸均勻、分散性好、水溶性好的石墨烯量子點，將其摻雜到海藻酸鈉粘結劑中，制備復合電極材料。

為達到上述目的，本發明提供的技術方案是：

一種鋰離子電池復合電極，在電極的負極材料表面包覆一層具有強粘附性的聚多巴胺，同時用石墨烯量子點改性粘結劑，其制備方法包括以下步驟：

1)制備固體石墨烯量子點：