[發明專利]一種硅基復合負極活性材料、硅基復合負極及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110441457.6
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113161157B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 孫現眾;馬衍偉;張熊
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/32;H01G11/36;H01G11/06;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M4/36;H01M10/0525
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉奇

本發明涉及電極材料技術領域，提供了一種硅基復合負極活性材料、硅基復合負極及其制備方法和應用。本發明提供的硅基復合負極活性材料包括硅基材料30～82％，一維碳材料0～10％，導電炭黑18～60％。本發明利用硅基材料、一維碳材料和導電炭黑的復合，實現了一維、二維、三維尺度上的協同作用，避免硅材料在嵌鋰和脫鋰時由于體積變化導致的顆粒粉化與失效，且能提高硅基復合負極材料的電子導電率。采用本發明的負極活性材料制備的硅基復合負極功率性能好，比容量高，循環性能好，該硅基復合負極應用于鋰離子儲能器件中，且所得器件的電化學性能優異。

技術領域

本發明涉及電極材料技術領域，尤其涉及一種硅基復合負極活性材料、硅基復合負極及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電容器是一種新型的儲能器件，與鋰離子電池相比，鋰離子電容器具有更高的功率密度和更長的循環壽命，與雙電層超級電容器相比能量密度可以提高3～6倍。鋰離子電容器的正極通常采用高比表面積的活性炭材料，負極采用石墨、硬碳、軟碳和鈦酸鋰材料等。但是，這些傳統的負極材料比容量低，如石墨的理論比容量只有372mAh/g，此外鈦酸鋰放電平臺電壓比較高，不能滿足高能量密度鋰離子電容器的需求。

硅基材料由于具有非常高的質量比容量(硅的理論比容量為4200mAh/g)，略高于碳材料的放電平臺，以及儲能豐富等優點而備受研究人員的關注。然而這種材料在嵌脫鋰過程中會伴隨著嚴重的體積膨脹和收縮，導致硅材料破碎和粉化脫落，造成容量迅速衰減，循環性能差；此外硅屬于半導體材料，導電性較差。常用的解決方法是采用硅與碳材料復合的方式，例如公開號為CN 106252572 A、CN 106450434 A、CN 105990602 A、CN 106602028、CN 107248451的專利中都采用硅碳復合材料作為高能量密度鋰離子電池的負極材料。但是，使用硅碳復合材料作為負極材料時，所得儲能器件的比容量較低(一般為400-600mAh/g)，且功率性能較差、循環性能差。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種硅基復合負極活性材料、硅基復合負極及其制備方法和應用。本發明提供的硅基復合負極活性材料電子導電率高，在嵌脫鋰過程中硅材料不易破碎和粉化脫落，將其應用于鋰離子儲能器件的負極中，所得負極的功率性能好，且比容量高，循環性能好。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

一種硅基復合負極活性材料，包括以下質量分數的組分：硅基材料30～82％，一維碳材料0～10％，導電炭黑18～60％；所述硅基材料包括氧化亞硅、納米硅顆粒和硅納米線中的一種或幾種。

優選的，所述納米硅顆粒的粒徑≤250nm，所述硅納米線的直徑≤200nm。

優選的，所述一維碳材料包括單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳晶須和氣相生長碳纖維中的一種或幾種。

本發明還提供了一種硅基復合負極，包括集流體和設置在集流體表面的涂層；所述涂層包括以下質量分數的組分：粘結劑5～30％，權利要求1～3任意一項所述的硅基復合活性材料70～95％。

優選的，所述集流體包括銅箔、泡沫銅或導電碳布。

優選的，所述粘結劑包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、丁苯橡膠和LA型粘結劑中的一種或幾種。

本發明還提供了上述方案所述硅基復合負極的制備方法，包括以下步驟：

將粘結劑和硅基復合負極活性材料的原料混合，將所得混合漿料涂布于集流體表面；

或，將所述粘結劑和硅基復合負極活性材料的原料依次進行混煉和擠壓成膜，將所得膜層壓覆在集流體表面。

優選的，所述混合的方法包括球磨混合、攪拌混合、勻漿混合或擠壓混合；所述涂布的方法包括噴涂、轉移式涂布或擠壓式涂布。