[發(fā)明專利]一種結構穩(wěn)定型鋰電池復合電極粉體材料的制備方法

有效

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• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109860554B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設計）人: 尹凱欣;許正祥;吳加仁
• 申請（專利權）人: 江蘇全鋰智能科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/052
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本發(fā)明公開了一種結構穩(wěn)定型鋰電池復合電極粉體材料的制備方法，屬于新能源材料技術領域。本發(fā)明先將預處理氧化石墨烯分散液、三聚氰胺溶液和改性明膠分散液反應制得干凝膠，并將干凝膠粉碎過篩，得凝膠碎料，隨后將凝膠碎料和硅酸酯稀釋液、三甲基鋁以及油酸加熱回流反應，制得一次負載凝膠碎料，再將其與銀氨溶液混合反應，隨后用水合肼還原，制得還原料，最終控制不同升溫速率和加工溫度，使還原料高溫反應，制得產(chǎn)品結構穩(wěn)定型鋰電池復合電極粉體材料。本發(fā)明所得產(chǎn)品在使用過程中結構穩(wěn)定，有效避免體積膨脹引起的性能下降，使產(chǎn)品的使用壽命、使用安全性以及循環(huán)穩(wěn)定型得到有效提升，對新能源領域的發(fā)展形成推動作用。

技術領域

本發(fā)明公開了一種結構穩(wěn)定型鋰電池復合電極粉體材料的制備方法，屬于新能源材料技術領域。

背景技術

鋰離子電池一般由四大部分組成：正極、負極、電解液和隔膜。其中，隔膜把電池正負極分隔開，防止正負極直接接觸而短路。同時，隔膜還具有通過電解質離子的作用。聚烯徑是最常用的隔膜材料，目前商品化鋰電池隔膜材料主要采用聚乙稀、聚丙稀微孔膜。電解液是鋰電池中離子傳輸?shù)妮d體。一般由有機溶劑和鋰鹽組成。其中常用的鋰鹽為LiPF₆、LiClO₄、LiBF₄等，常用有機溶劑為碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等一種或幾種有機溶劑的混合物。

由于幾次劇烈的電池安全事故，金屬鋰片作為負極材料很快被清除出市場。這一問題普遍出現(xiàn)在金屬鋰片電池反應過程中，有機電解質鹽溶解，反應產(chǎn)生不均一的碳酸燒基酷純化薄膜附在負極表面。這層薄膜只可以透過鋰離子，但是，它不能阻止電極與電解質鹽的進一步反應分解。因此，經(jīng)過多次電池充放電循環(huán)，分解產(chǎn)生的沉積物累積在金屬鋰片上，導致了金屬鋰片樹枝晶的生長。對金屬鋰片和硅反應的電化學研究高溫下的鋰片硫化物，發(fā)現(xiàn)在400-500℃的高溫下，金屬鋰和硅合金化形成不同鋰硅合金。硅的對鋰電位約為0.2V電壓平臺略高于石墨，在充放電過程中，不易形成鋰枝晶，故其安全性能優(yōu)于石墨。同時其高的比容量也使得其能量密度較高，被認為是鋰離子電池負極材料很有希望的替代品。

硅也存在一些問題，如在合金化過程中產(chǎn)生巨大的體積效應較低的電導率；與常規(guī)電解液的不相容性等。造成鋰硅電池容量衰減迅速的原因是：在硅單質嵌鋰進行合金化過程中，隨著嵌鋰量的不斷增大，硅基體體積不斷膨脹直至最終形成鋰硅合金。接著，在脫鋰的過程中，硅基體體積不斷收縮。膨脹收縮的模式重復運作，導致電極的分解和破裂，使得電極失去和活性物質之間的連接，最終造成鋰電池容量的不可逆損失和循環(huán)過程中的大量衰減。

制備硅納米線生長直接在集流體，經(jīng)過幾次的充電和放電周期，拆開電池，發(fā)現(xiàn)納米線電極材料沒有碎片或粉成小顆粒。納米線的直徑和長度的位置不被破壞且容易釋放機械應力在結構上和集流體上，電子可以有效的通過從集流體到納米線，沿著長度方向和納米線上流動，顯示出短的嵌鋰距離。與此同時，納米陣列之間滲透出的電解液也縮短了鋰離子擴散的路徑。用Al₂O₃為基底，通過硅前驅體的分解還原制備出硅納米管。硅納米管鋰離子脫嵌入時，軸向變異相對較小，管狀形態(tài)適合調節(jié)大量的體積變化，提高穩(wěn)定性和可逆容量能力，有巨大的潛在優(yōu)勢。用溶劑熱方法制備得到了硅納米空心球，研究其作為鋰離子電池負極的電化學性能。實驗結果顯示，硅納米空心球形貌均勻，首次放電容量為3952mAh·g^-1，大電流密度下循環(huán)多次，仍然保持高的可逆容量。這個空心結構納米晶體硅有效緩沖體積變化同時，活動也增加了鋰離子反應，縮短鋰離子的擴散路徑，使它有一個高容量和良好的性能。