[發明專利]一種復合納米硅負極及其制備與應用

在審

• 申請號: 202010746344.2
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN111883760A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 黃杰
• 申請（專利權）人: 黃杰
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/134;H01M10/0525
• 代理公司: 濟南鼎信專利商標代理事務所(普通合伙) 37245
• 代理人: 陳輝

本發明公開了一種復合納米硅負極材料及其制備與應用，屬于鋰離子電池技術領域，包括納米硅、三維電子導通骨架和聚合物；所述納米硅均勻的分散在三維電子導通骨架和聚合物中。本發明示例的復合負極材料，其基本原理在于將納米硅、三維電子導通骨架和聚合物均勻混合分散，再通過造粒干燥等方法得到復合三維納米硅負極材料，納米硅、聚合物以及三維電子導通骨架三者均勻分布，三維電子導通骨架和聚合物具有吸收電解液，保持離子通道的性能，由此保證復合納米硅負極材料在鋰離子電池中工作時優異的離子電導和電子電導性能。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體而言是一種復合納米硅負極及其制備與應用。

背景技術

可充電金屬離子電池主要有鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池等，其中以鋰離子電池研究最成熟，應用最廣泛，目前已在消費類電子產品、儲能系統、動力系統等方面得到廣泛應用，但如何提升其能量密度成了限制其進一步應用和發展的技術瓶頸之一。

現有的石墨負極材料的理論容量為372mAh/g，其中商業化石墨負極產品已達350mAh/g左右，基本已無提升空間。硅作為鋰離子電池負極材料的理論容量可達4200mAh/g左右，且硅在地殼中的含量豐富，僅次于氧，因此成為研究熱點。但是，硅在儲鋰形成鋰硅合金的過程會導致硅材料發生嚴重的體積膨脹(～300％)，使得電極材料發生粉化碎裂，從集流體上脫落，造成電極容量迅速衰減，最終導致電池循環性能變差。

目前，對硅基負極提出了很多解決方案，如：薄膜結構的納米硅、碳包覆納米硅、硅納米線。但相關研究結果表明硅納米顆粒、薄膜結構的硅材料在經過長時間的循環后，仍存在在極片層面硅材料的膨脹問題導致的粘結劑脫落，保存液態能量差的問題，降低電池的循環性能，所以不能從根本上改善硅基負極材料的體積膨脹問題；此外采用碳包覆制備的硅復合材料雖然可以有效的解決循環性能問題，但包覆工藝復雜，且由于碳包覆材料一般為無定型結構，在一定程度上會影響整體電極的嵌鋰性能；將硅材料制備成納米線，可以大大改善材料的電化學性能，但是成本太高，并且體積效應帶來的低庫侖效率并未因材料構型的轉換而得到有效解決。

因此，有必要研發一種比容量高和循環穩定性好的鋰電池硅復合負極材料，已解決現有技術的不足。

發明內容

為了解決上述現有技術中的不足，本發明的目的在于提供一種復合納米硅負極，以解決現有技術中含硅負極材料易膨脹導電率低導致的電池循環性能下降的問題，另外，制備出的負極材料具有高比容量、長循環壽命等優異性能，能夠實現鋰離子電池的工業化生產。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案為：

一種復合納米硅負極材料，包括納米硅、三維電子導通骨架、聚合物；所述納米硅均勻的分散在三維電子導通骨架和聚合物中。

進一步的，所述納米硅為晶態納米硅、非晶態納米硅、晶態多孔納米硅、非晶態多孔納米硅、晶態碳包覆納米硅、非晶態碳包覆納米硅、晶態碳包覆多孔納米硅、非晶態碳包覆多孔納米硅中一種或多種；納米硅D₅₀粒徑為20-150nm。

進一步的，所述三維電子導通骨架為碳納米管、超級碳、科琴碳、乙炔黑、石墨烯、人造石墨、多層石墨、膨脹石墨、氣相生長碳纖維中的一種或多種。

進一步的，所述聚合物由具有羰基、酯基或低極性中一種或幾種的烯屬不飽和單體聚合而成。

進一步的，所述具有羰基的烯屬不飽和單體為丙烯酸，順丁烯二酸，順丁烯二酸鋰，順丁烯二酸鈉，丙烯酸鈉、丙烯酸鋰、甲基丙烯酸，甲基丙烯酸鈉、甲基丙烯酸鋰中的一種或多種。