[發(fā)明專利]基于自支撐硅基的鋰電池負(fù)極涂層及其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211084164.8
• 申請(qǐng)日: 2022-09-06
• 公開（公告）號(hào): CN115483362A
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞澤新;王博通;許振寧;桂瓏恩;謝迎春;劉妹妹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/04
• 分類號(hào): H01M4/04;H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/052
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 蘇張林

本發(fā)明涉及一種基于自支撐硅基的鋰電池負(fù)極涂層及其制備方法與應(yīng)用，屬于涂層技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述的制備方法先將硅粉、碳粉和金屬粉溶于水，經(jīng)乳化、烘干、造粒，得到復(fù)合粉末；所述硅粉、碳粉和金屬粉的質(zhì)量比為1?3：1：6?8；然后采用大氣等離子噴涂技術(shù)將復(fù)合粉末沉積在可溶性鹽基體表面，得到所述的基于自支撐硅基的鋰電池負(fù)極涂層。本發(fā)明所述的鋰電池負(fù)極涂層中金屬或碳框架的自支撐作用，能夠有效抑制硅基材料的體積膨脹，降低鋰電池重量，在實(shí)際應(yīng)用中，減少了電能的損耗。此外自支撐硅基材料鋰電池負(fù)極涂層在制備過程中無需加入粘結(jié)劑，并且金屬粉末能夠充當(dāng)集流體的作用，能夠顯著提高鋰電池的導(dǎo)電性和電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于涂層技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于自支撐硅基的鋰電池負(fù)極涂層及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

科技的進(jìn)步，人們對(duì)于移動(dòng)和固定的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備需要越來越大，其中最常見的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置是鋰離子電池，它主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間的移動(dòng)來工作，具有非常高的效率和可逆性。然而隨著商業(yè)應(yīng)用對(duì)鋰離子電池性能要求的增加，促使人們尋求更大容量的電極材料。其中硅具有較低的嵌鋰電位和高比容量(4200mAh/g)，且成本低廉、環(huán)境友好，被認(rèn)為是最有潛力的負(fù)極材料之一。但是硅在鋰離子電池充放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)體積膨脹，破壞電極結(jié)構(gòu)，使得負(fù)極材料的可逆性能變差，電池容量嚴(yán)重衰減，因此在硅基材料進(jìn)行改進(jìn)是一種必然趨勢(shì)。

目前，常規(guī)的鋰電池制備方法是在負(fù)極材料中添加分散劑、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑等形成負(fù)極漿料，涂覆在集流體表面，得到電極。但是在負(fù)極材料中加入的粘結(jié)劑會(huì)影響電池的導(dǎo)電性，造成電池內(nèi)阻增大，加快電池老化。

專利CN 109244386 A公開了一種高能量含硅鋰電池及制備方法，其正極的導(dǎo)電劑為單壁碳納米管和石墨烯；負(fù)極片由負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電炭黑、單壁碳納米管、CMC和粘結(jié)劑組成。雖然此類方法通過對(duì)正負(fù)極導(dǎo)電劑成分和粘結(jié)劑的優(yōu)化，抑制體積膨脹，提高充放電穩(wěn)定性。但是在鋰電池制備過程中加入的粘結(jié)劑容易導(dǎo)致負(fù)極的導(dǎo)電性能降低，降低鋰電池使用壽命。

專利CN 113224304 A公開了一種銅鎳共摻雜的碳化硅鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。采用凝膠-溶膠技術(shù)和煅燒熱處理技術(shù)，在碳化硅的合成過程中原位摻雜銅、鎳，制備了Cu，Ni-SiC電極材料。雖然此類方法能夠改變晶胞結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性，但此方法的加工時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，不適用于商業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中硅基材料體積效應(yīng)、現(xiàn)有制備方法效率低、鋰電池導(dǎo)電性差等問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于自支撐硅基的鋰電池負(fù)極涂層及其制備方法與應(yīng)用。利用大氣等離子噴涂和復(fù)合造粉的工藝技術(shù)，制備出基于自支撐硅基材料的鋰電池負(fù)極涂層。有效抑制了硅基材料的體積膨脹，提高鋰電池的導(dǎo)電性和電化學(xué)性能，減少了鋰電池自身重量。

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種基于自支撐硅基的鋰電池負(fù)極涂層的制備方法，包括以下步驟，

S1、將硅粉、碳粉和金屬粉溶于溶劑，經(jīng)乳化、烘干、造粒，得到復(fù)合粉末；所述硅粉、碳粉和金屬粉的質(zhì)量比為1-3：1：6-8；

S2、采用大氣等離子噴涂技術(shù)將S1所述的復(fù)合粉末沉積在可溶性鹽基體表面，得到所述的基于自支撐硅基的鋰電池負(fù)極涂層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在S1中，所述的硅粉和金屬粉的粒徑均為100nm-1000nm；碳粉的粒徑為1μm-10μm。金屬粉末具有集流體的作用，能夠吸收應(yīng)力，降低了自身重量，還可以提高硅電極的循環(huán)效率和速率能力。碳粉末能夠增加電極的導(dǎo)電性，另一方面碳框架可以吸收硅的應(yīng)力，有效緩解活性材料在充放電過程中發(fā)生的體積變化。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在S1中，所述的碳粉為氧化石墨烯粉末和/或石墨烯粉末；金屬粉為銅粉、錫粉和鎳粉中的一種或多種。