硅基鋰離子電池負極材料的簡單制備方法
【專利摘要】一種鋰離子電池負極的制備方法，包括如下步驟：步驟1：將硅基粉末分散于有機溶劑中，得到硅基粉末的分散液；步驟2：將聚丙烯腈或瀝青聚合物與有機溶劑混合，并在一預定溫度下攪拌直到溶解，得到有機溶劑混合物；步驟3：將硅基粉末的分散液和有機溶劑混合物混合，獲得漿料；步驟4：將漿料以一預定厚度涂布在一集流體上；步驟5：烘干；步驟6：將烘干的涂布有漿料的集流體在一預定溫度下燒結，形成鋰離子電池負極，完成制備。本發(fā)明具有制備工藝簡單，成本低，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。
【專利說明】 硅基鋰離子電池負極材料的簡單制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明提出了一種簡單的以硅基粉末為活性物質的鋰離子電池負極的設計思想和制備方法。特別涉及了以硅基粉末作為鋰離子電池負極活性物質，以聚合物燒結后得到的碳纖維作為導電物質和粘結網絡，制備電極的簡單方法。

【背景技術】
[0002]由于信息產業(yè)，通信行業(yè)，移動設備，電子器件，電動交通設備的快速發(fā)展，開發(fā)低功耗，大容量的移動電源已經非常迫切。鋰離子電池則作為不可或缺的角色引起人們的研究熱情。娃材料作為鋰離子電池負極材料，其理論容量可以達到4200mAhg-l (Journal ofThe Electrochemical Society, 151, A838.),僅次于鋰金屬，是現(xiàn)在普遍應用的石墨材料的十倍之多。硅材料還可以提供很長的放電平臺，保證穩(wěn)定的輸出電壓。地殼中很高的豐度也使硅材料具有更多的競爭力。但是，由于充電過程中硅材料會發(fā)生巨大的體積膨脹(?400% ) (Nature nanotechnology, 3, 31, 2007.),這將導致材料在充放電過程中迅速粉化，從而造成容量衰減，最終電極失效。人們已經使用各種方法來解決硅材料在充放電過程中的問題，如米取納米級材料(Nature nanotechnology, 3, 31, 2007 ；ChemSusChem, 6, 2144,2013.)或多孔結構(Journal of power sources, 139, 314, 2005.)以緩解尺寸效應,用復合結構來保護娃材料(Journal of Materials Chemistry, 17,1321, 2007.)等。但是對于納米結構的材料，制備復雜以及成本過高阻礙了其商用化，而符合材料匹配以及均勻性也有待提高。中國專利CN103762367提供了一種采用海藻酸鈉作為粘結劑的硅基鋰離子電池負極的制備方法。這種方法雖然可以利用粘結劑保護硅材料，但是制備工藝復雜，并且海藻酸鈉粘結劑的絕緣性會降低電極電導率，阻礙電子傳輸。中國專利CN102623682A提供了一種鋰離子電池負極硅基碳復合材料的制備方法。這種方法以硅粉為主料，以石墨粉或絮狀碳黑為輔料，混合后進行高能球磨，得到粒度小于20 μ m的粉末即為鋰離子電池負極硅碳復合材料。這種方法可以改善電極材料的導電性能，但是硅粉和碳粉只是簡單的混合在一起，不能減小電子在顆粒間的跳躍過程中的電阻；并且在進一步組裝電池的過程中還要引入絕緣的粘結劑。而本專利的制備方法，操作簡單，成本低，聚合物燒結后既是導電材料，又可以將硅基粉末粘結在一起，勢必會大大促進其在鋰離子電池中的應用。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明目的在于提供一種用硅基粉末作為活性材料的鋰離子電池負極的制備方法。該方法制備工藝簡單，成本低，易于實現(xiàn)。
[0004]本發(fā)明提供一種鋰離子電池負極的制備方法，包括如下步驟:
[0005]步驟1:將硅基粉末分散于有機溶劑中，得到硅基粉末的分散液；
[0006]步驟2:將聚丙烯腈或浙青聚合物與有機溶劑混合，并在一預定溫度下攪拌直到溶解，得到有機溶劑混合物；
[0007]步驟3:將硅基粉末的分散液和有機溶劑混合物混合，獲得漿料；
[0008]步驟4:將漿料以一預定厚度涂布在一集流體上；
[0009]步驟5:烘干；
[0010]步驟6:將烘干的涂布有漿料的集流體在一預定溫度下燒結，形成鋰離子電池負極，完成制備。
[0011]本發(fā)明的有益效果是，具有制備工藝簡單，成本低，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了說明本發(fā)明的具體技術內容，以下結合具體實例及圖示詳細說明如后，其中:
[0013]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0014]圖2是硅基粉末與聚合物的混合物燒結前后的示意圖；
[0015]圖3是硅基粉末與聚合物的混合物燒結后的SEM圖；
[0016]圖4是燒結后電極片組裝電池的充放電循環(huán)特性。

【具體實施方式】
[0017]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種鋰離子電池負極的制備方法，該方法具有制備工藝簡單，成本低，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。包括如下步驟:
[0018]步驟1:將硅基粉末分散于有機溶劑中，得到硅基粉末的分散液，所述的硅基粉末的材料為硅材料、硅鍺材料或硅碳材料，或及其混合，該硅基材料為多晶或單晶材料。硅材料具有鋰離子容量高的特點，可以實現(xiàn)大容量鋰離子電池的制備。硅鍺材料具有鋰離子遷移率高的特點，有助于實現(xiàn)高倍率的鋰離子電池的制備。多晶硅基粉末材料價格低，可以實現(xiàn)低成本制備鋰離子電池。該硅基材料添加有石墨材料、碳黑、石墨烯、石墨纖維、銅粉末或銅納米線，或及其混合材料。添加的材料可以增加電極的電導率，使電池的內阻減小。添加的材料中有粉末狀的，如碳黑，銅粉末，可以填充硅基粉末材料的空隙以減小電子電阻；有線狀的，如石墨纖維，銅納米線，可以在電極中形成導電網絡，從而降低電阻。在電極中該硅基粉末的尺寸為10nm-50 μ m，所述有機溶劑為二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺，在其中硅基粉末可以通過超聲很好的分散；
[0019]步驟2:將聚丙烯腈(PAN)或浙青聚合物與有機溶劑混合，并在一預定溫度下攪拌直到溶解，得到有機溶劑混合物。PAN或浙青聚合物在有機溶劑中可以完全溶解，并形成粘稠的液體。所述攪拌溫度為10-90°C ；
[0020]所述硅基粉末與聚合物的比例為1: 9-9:1。
[0021]步驟3:將硅基粉末的分散液和有機溶劑混合物混合，獲得漿料。漿料為粘稠的液體。在漿料中，硅基粉末的作用是作為鋰離子電池電極材料的活性物質，而聚合物是作為鋰離子電池電極材料的粘結劑；
[0022]步驟4:將漿料以一預定厚度涂布在一集流體上，涂布過程應保證漿料在各個部分的厚度為均勻一致的，這樣以保證電池的性能更為穩(wěn)定。所述集流體為常用的鋰離子電池負極集流體，該負極集流體的材料為銅，銅在負極反應的電壓范圍內不會發(fā)生氧化還原反應，從而保證電池性能穩(wěn)定。所述集流體上涂布衆(zhòng)料的厚度為10 μ m-lmm,涂布較薄時電池循環(huán)性能更好，而涂布較厚時電池容量更高，所選擇的涂布厚度應該進行權衡之后選擇；
[0023]步驟5:烘干。烘干過程會將漿料中的有機溶劑完全揮發(fā)，得到固體的集流體；
[0024]步驟6:將烘干的涂布有漿料的集流體在一預定溫度下燒結，形成鋰離子電池負極(參閱圖3)。燒結過程會改變PAN或浙青聚合物的結構(參閱圖2)，聚合物的結構由鏈狀變?yōu)榫W狀，可以更牢固的粘結硅基粉末，燒結后聚合物的組分發(fā)生變化，電導率變大，在電極中也可以起到導電作用。所述燒結溫度為300-800°C，完成制備。
[0025]圖4為用本方法制備的電極組裝電池的循環(huán)測試結果。電池在首周循環(huán)過程中庫倫效率較低，為67%，但在第5周到達99%，并且之后的循環(huán)過程中保持穩(wěn)定。
[0026]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種鋰離子電池負極的制備方法，包括如下步驟: 步驟1:將硅基粉末分散于有機溶劑中，得到硅基粉末的分散液； 步驟2:將聚丙烯腈或浙青聚合物與有機溶劑混合，并在一預定溫度下攪拌直到溶解，得到有機溶劑混合物； 步驟3:將硅基粉末的分散液和有機溶劑混合物混合，獲得漿料； 步驟4:將漿料以一預定厚度涂布在一集流體上； 步驟5:烘干； 步驟6:將烘干的涂布有漿料的集流體在一預定溫度下燒結，形成鋰離子電池負極，完成制備。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電池負極的制備方法，其中所述的硅基粉末的材料為娃材料、娃錯材料或娃碳材料，或及其混合，該娃基材料為多晶或單晶材料，該娃基材料添加有石墨材料、碳黑、石墨烯、石墨纖維、銅粉末或銅納米線，或及其混合材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的鋰離子電池負極的制備方法，其中該硅基粉末的尺寸為10nm-50 μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電池負極的制備方法，其中有機溶劑為二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。
5.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電池負極的制備方法，其中所述攪拌溫度為10-90°C。
6.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電池負極的制備方法，其中所述硅基粉末與聚合物的比例為1: 9-9: 1，所述集流體為常用的鋰離子電池負極集流體，該負極集流體的材料為銅。
7.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電池負極的制備方法，其中集流體上涂布漿料的厚度為 10 μ m-lmm。
8.根據(jù)權利要求1所述的鋰離子電池負極的制備方法，其中所述燒結溫度為300-800。。。
【文檔編號】H01M4/1395GK104319373SQ201410563039
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權日:2014年10月21日
【發(fā)明者】張春倩, 李傳波, 楊帆, 張大林, 薛春來, 成步文, 王啟明 申請人:中國科學院半導體研究所