[發明專利]改性聚吡咯量子點微膠囊溶液及在制備硅電極中的應用

有效

• 申請號: 202011118430.5
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112349908B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 劉賓虹;汪倩倩;李洲鵬
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C08G73/06
• 分類號: C08G73/06
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發明涉及鋰離子電池技術，旨在提供一種改性聚吡咯量子點微膠囊溶液及在制備硅電極中的應用。其制備方法為：氮氣氛條件下向β?環糊精溶液中加入吡咯，超聲分散后逐滴加入雙氧水，攪勻冷卻到室溫，得到聚吡咯量子點微膠囊溶液；將其加入硝酸鋰水溶液中，攪拌均勻，得到改性聚吡咯量子點微膠囊溶液。本發明通過吡咯?環糊精包絡物形成吡咯微膠囊，在雙氧水的作用下形成聚吡咯量子點微膠囊；將其用于制備硅電極時，能原位完成三維聚吡咯量子點網絡的構建；既防止了納米硅團聚，又使納米硅顆粒與三維聚吡咯量子點網絡形成整體，并利用聚吡咯的導電性，改善了硅電極的導電性。在最少添加量下獲得隔離納米硅顆粒的目的，保證硅電極性能和高能量密度。

技術領域

本發明是關于鋰離子電池技術領域，特別是涉及一種改性聚吡咯量子點微膠囊溶液及在制備硅電極中的應用。

背景技術

鋰離子電池能量密度高，對環境基本沒有污染，是目前應用最廣泛的二次電池。傳統鋰離子電池使用石墨作為負極材料，石墨嵌鋰形成LiC₆，比容量僅為372mAh/g；但硅嵌鋰形成合金Li_4.4Si，比容量高達4210mAh/g。使用硅電極代替傳統石墨電極是鋰離子電池突破目前能量密度瓶頸的重要發展方向。然而，硅材料的高容量嵌鋰產生體積膨脹，導致硅材料粉化，從電極上脫落，造成活性物質損失，引起導電網絡破壞，導致電極容量迅速下降，呈現極差的循環壽命。

研究表明，小粒徑的硅或其合金無論在容量上還是在循環性能上都有很大的提高，當合金材料的顆粒達到納米級時，充放電過程中的嵌鋰體積膨脹會大大減輕，性能也會有所提高。但是納米材料具有較大的表面能，容易發生團聚，反而會使充放電效率降低并加快容量的衰減，從而抵消了納米顆粒的優點。采用氧化物作為前驅體，在充放電過程中氧化物首先發生還原分解反應，形成納米尺度的活性金屬，并高度分散在無定形Li₂O介質中，從而抑制了體積變化，有效地提高了電極材料的循環性能。但是采用氧化物作為電極材料會由于還原分解反應而使不可逆容量損失較大。采用超細合金及活性/非活性復合合金體系，每個超細合金顆粒在充放電過程中的絕對體積變化較小，有利于材料的結構穩定性。然而超細材料在循環過程中發生劇烈團聚，不足以使電池的性能改善到實用化。利用“緩沖骨架”來補償材料的膨脹，使其能保持良好的導電性能，可達到穩定納米硅材料，防止其團聚。

通常硅電極靠粘結劑保持電極形狀，防止活性物質從電極脫落，電極中分別使用了隔離材料和粘結劑。粘結劑通常是絕緣體，電極中添加粘結劑固然使電極的力學性能增加，但同時也導致電極的電子導電性下降，造成極大的阻抗，減小電極容量。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種改性聚吡咯量子點微膠囊溶液及在制備硅電極中的應用。

為解決上述技術問題，本發明的解決方案是：

提供一種改性聚吡咯量子點微膠囊溶液，是通過下述步驟制備獲得的：

(1)取10～50g的β-環糊精，在90℃下溶解于100mL的去離子水中，得到β-環糊精溶液；在氮氣氛條件下加入0.90g～30g吡咯，超聲振動分散5分鐘；然后逐滴加入30wt％的雙氧水2mL～10mL，攪拌均勻后冷卻到室溫，得到聚吡咯量子點微膠囊溶液；

(2)取10mL去離子水溶解1～2g硝酸鋰，超聲振動分散5分鐘；然后加入步驟(1)所得聚吡咯量子點微膠囊溶液，攪拌均勻，得到改性聚吡咯量子點微膠囊溶液。

本發明中，所述超聲振動的頻率均為40kHz。

本發明進一步提供了一種改性聚吡咯量子點微膠囊，是將前述改性聚吡咯量子點微膠囊溶液進行冷凍干燥處理，得到粉末狀的由環糊精包覆的改性聚吡咯量子點微膠囊；如將該改性聚吡咯量子點微膠囊加入去離子水中，經分散后能夠重新得到改性聚吡咯量子點微膠囊溶液。

本發明還提供了一種改性聚吡咯量子點微膠囊溶液和改性聚吡咯量子點微膠囊在制備硅電極中應用方法，具體包括：