[发明专利]多层薄膜的锂离子电池自支撑硅基负极材料及其制备方法

说明书

技术领域                      

 本发明涉及一种多层薄膜的锂离子电池自支撑硅基负极材料及其制备方法，属于能源材料领域。

背景技术        

随着电动汽车、混合动力汽车以及太阳能、风能发电等的广泛应用，高性能储装置变得日益重要。锂离子电池具有能量密度高，循环性能好，比能量高，对环境污染小等优点，因而是目前最重要的储能装置之一。

锂离子电池是指Li+嵌入和脱出正负极材料的一种可充放电的高能电池。目前其正极材料一般采用插锂化合物，如LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂等；其负极材料采用层状碳材料如石墨；电介质为溶解了锂盐(如LiPF₆、LiAsF₆、LiClO₄等)的有机溶剂(如碳酸乙烯酯EC、碳酸二甲酯DMC等)。在充电过程中，Li⁺在两个电极之间往返插入脱出，电池化学表示式如下：

 (-) C_n│LiPF₆ - EC+DMC│LiM_xO_y (+)

其电池反应为：

LiM_xO_y + nC ? Li_1-xM_xO_y + Li_xC_n

锂离子电池是一种锂离子浓度差电池，充电时Li⁺通过电解质嵌入到负极，电子通过外电路补偿到负极，确保电荷平衡。放电时则相反，Li⁺通过电解质嵌入到正极，电子通过外电路补偿到正极确保电荷平衡。

由上述锂离子电池工作原理可知，负极材料承担着嵌锂和脱锂的作用，负极材料的性能好坏对锂离子电池的性能具有极大的影响。目前市场化的锂离子电池负极材料是石墨，其比容量较低(仅372mAh/g)，能量密度较低，难以满足电动汽车、移动电子设备等领域对高性能电池的要求，因此如何能获得具有高比容量以及良好循环性能的负极材料是锂离子电池材料的重要研究方向。

硅可以和锂反应，可逆地形成多种合金，如 、Li₁₅Si₄、等，其用作负极材料时理论质量比容量高达(4200mAh/g，Li₂₂Si₅)，是目前已知的负极材料中最高的，且对锂电位较低(0.4V)，因此是最有前途的负极材料之一。

但是，硅在充放电循环过程中会经历超过400%的体积变化，易导致活性材料粉化而从集流体脱离造成电接触不良，并且导致SEI膜不稳定而不断的消耗活性材料，从而使其循环性能很差。如何提高硅的循环性能而又不过多影响其容量，是目前硅基负极材料的研究重点。

为了改善硅基负极材料的循环性能，近年来国内外科研工作者已经做了大量的工作，设计了多种硅的结构，例如硅纳米线阵列、碳包覆纳米硅管、核壳结构的碳硅微球、三维多孔硅碳复合物等。这些工作取得了较为良好的成果，对硅基负极材料的比容量和循环性能都起到了较大的改善。但是其制备过程大多很复杂，面积比容量都较低；而且目前的研究都是在微观结构层面进行优化结构设计，还没有人做过宏观层面和微观层面协同优化材料结构和成分的工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多层薄膜的锂离子电池自支撑硅基负极材料及其制备方法。

多层薄膜的锂离子电池自支撑硅基负极材料是由硅纳米颗粒和碳纳米纤维复合而成多层薄膜，其中硅和碳的质量比为1:0.5~1:6，多层薄膜中的碳纤维层和硅碳复合物纤维层厚度比为1:1~1:5;

多层薄膜的锂离子电池自支撑硅基负极材料的制备方法包括以下步骤：

1) 将高分子聚合物分散在有机溶剂中，磁力搅拌18~48小时后超声处理30~60分钟，得到5~15wt%高分子聚合物溶液；

2) 将质量比为1:1~12:1的高分子聚合物和纳米硅粉分散在同种有机溶剂中，磁力搅拌18~48小时，超声处理30~60分钟，得到高分子聚合物和纳米硅粉分散液；