[發明專利]一種鋰電池硅碳負極片及其制備方法

在審

• 申請號: 202011506855.3
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN114649503A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 楊英龍;謝汝達;傅麗;劉晨敏
• 申請（專利權）人: 懋青愷有限公司
• 主分類號: H01M4/131
• 分類號: H01M4/131;H01M4/134;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/62;H01M4/1391;H01M4/1395;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 深圳市蘭鋒盛世知識產權代理有限公司 44504
• 代理人: 羅炳鋒

本發明涉及鋰電池硅碳負極片及制備方法，該負極片具有比容量高、首次充放電效率好以及循環穩定性高等特點；其比容量在450?700 mAh/g之間，首次庫侖效率為83?88%，充放電倍率為0.2C條件下，100個循環后容量保持率可以達到86?92%。本發明中的硅碳負極片由涂覆在銅箔上的漿料組成，其中漿料包含硅碳粉體、導電劑和粘結劑；納米級硅粉或微米級氧化亞硅、石墨和有機裂解碳通過球磨、燒結制成硅碳粉體，導電劑為導電碳黑和碳納米管，粘結劑為羧甲基纖維素鈉和丁苯橡膠，并加入適量的十二烷基硫酸鈉作為添加劑以增強其粘結效果。本發明制備方法簡單、原料易得，提高了比容量，并且有效地緩解和抑制了硅材料在充放電過程中的體積膨脹效應，改善了循環穩定性并延長了使用壽命。

技術領域

本發明涉及電池技術領域，尤其涉及一種鋰電池硅碳負極片及其制備方法。

背景技術

隨著新能源產業的蓬勃發展，尤其是電動汽車的推廣使用，人們對鋰電池的能量密度、使用壽命以及安全性提出了更高的要求。現有的商業化鋰電池大多采用石墨作為負極材料，然而，石墨負極的理論比容量僅為372 mAh/g，且其實際比容量已經非常接近其理論值，進一步提升變得非常困難。與石墨相比，硅具有極高的理論比容量（4200 mAh/g）及較低的電壓平臺（～0.4V vs Li/Li⁺），是非常有前景的新型負極材料。

但是，硅作為負極材料在完全脫嵌鋰過程中，其體積膨脹率可高達300%，極易引起硅顆粒的粉化破碎，甚至從集流體上脫落，這一效應會使硅負極的容量快速衰減，電池壽命大幅縮短，是阻礙硅負極材料商業化的最大問題；硅材料的另一特點是導電性差，導致倍率性能低，首次庫侖效率低。制作多孔硅或者納米硅可以較好地緩解硅的體積膨脹問題，然而，納米材料的尺寸效應也會大大降低了負極材料的壓實密度和體積比容量等，這種方法也往往工藝復雜，成本較高，不適合大規模生產。另一種常見方法是將石墨和硅粉按一定比例混合，利用石墨體積膨脹率低（10%）、導電性好的特點來緩沖硅粉的體積膨脹，提高負極的導電性，但是限于混合效果、粘結劑、導電劑等多種因素，提升效果有限。

綜上所述，如何提供一種適合大規模生產，同時能有效提升硅基負極材料的循環穩定性、倍率性并保持較高比容量的方法，是當下鋰電池負極材料的研究熱點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鋰電池硅碳負極片及其制備方法，以減少常規的硅基負極材料因體積膨脹率過大而易粉化的問題，從而延長電池的使用壽命，并兼有較高的首次庫侖效率和比容量。

本發明為解決上述技術問題，采用以下技術方案來實現：

一種鋰電池硅碳負極片，其特征在于，所述硅碳負極片由涂覆漿料的銅箔構成，硅碳負極片涂覆漿料的厚度為65-85um，活性材料負載量為6.5 mg/cm²-8.5mg/cm²；所述的漿料包含硅碳粉體、粘結劑和導電劑，按質量百分比，硅碳粉體、粘結劑與導電劑的比例為88%-92% ：4%-6% ：4%-6%；

其中，所述硅碳粉體包含硅材料、石墨和有機裂解碳，壓實密度為1-1.3 g/cm³；所述粘結劑包含羧甲基纖維素鈉（CMC）、丁苯橡膠（SBR）以及添加劑十二烷基硫酸鈉（SDS）；所述導電劑包含導電碳黑和碳納米管；

所述的硅碳負極片，在半電池0.2C條件下克容量發揮為450mAh/g-700 mAh/g, 首次庫侖效率為83%-88%，循環100次后容量保持率為86%-92%。

所述硅材料為納米級硅粉、微米級氧化亞硅，或者兩者的混合物；其中硅粉的粒徑為30-70 nm、氧化亞硅的粒徑為3-7um。

所述有機裂解碳通過添加瀝青作為有機碳前驅體，與石墨、硅材料通過球磨進行充分混合之后再經過高溫裂解得到。

所述硅材料與瀝青、石墨的質量百分比為8%-12% ：5%-10% ：78%-87%。