[发明专利]用于锂离子电池的具有三维键合网络的硅基复合物

说明书

本发明涉及具有三维键合网络并且在粘合剂与硅基材料之间具有增强的相互作用的硅基复合物，其包含硅基材料、处理材料、含羧基的粘合剂及导电碳，其中所述处理材料选自以下组中：聚多巴胺或具有胺基和/或亚胺基的硅烷偶联剂；本发明还涉及包含所述硅基复合物的电极材料及锂离子电池，以及制备所述硅基复合物的方法。

技术领域

本发明涉及用于锂离子电池的具有三维键合网络并且在粘合剂与硅基材料之间具有增强的相互作用的硅基复合物；以及包含所述硅基复合物的电极材料及锂离子电池。

背景技术

随着便携电子设备和电动车的迅速发展和普及，对于具有增大的能量和功率密度的锂离子电池的需求变得越来越紧迫。硅由于其大的理论容量(Li₁₅Si₄，3579mAh g^-1)及适中的运行电压(0.4V，相对于Li/Li⁺)，所以是一种有前景的用于锂离子电池的替代性电极材料。

然而，硅的实际应用仍然存在许多挑战，例如在嵌脱锂过程中，硅经历剧烈的膨胀和收缩，这会在Si基活性材料和电极中产生许多裂纹。这些裂纹导致损失电子导电性。此外，这些裂纹还导致固体电解质界面(SEI)持续生长，这导致损失离子导电性和消耗Li，因此导致容量迅速衰减。人们付出了巨大的努力设计具有纳米或多孔结构的Si基材料，以减轻负面的体积效应及改善电化学性能。

除了活性材料以外，最近有研究表明，粘合剂网络也在电极体积变化期间对于保持电极完整性发挥关键作用，并且与许多重要的电化学性能相关，尤其是循环性能。

在所有种类的粘合剂中，更多使用含羧基的粘合剂，例如聚丙烯酸(PAA)、羧甲基纤维素(CMC)、海藻酸钠(SA)，这是因为粘合剂上的羧基可与硅形成氢键。然而，通过羧基形成的氢键仍然不够强壮以承受硅的巨大的体积变化，尤其是在高的质量加载量的情况下。此外，在长时间的循环过程中，通过上述线性粘合剂形成的键合网络也不够强壮以保持电极完整性。存在进一步改性以改善粘合剂的需求。

另一方面，在设计大功率电池的努力中，通过减小活性材料颗粒尺寸至纳米级，可以有助于缩短载荷子的扩散长度，改善Li离子扩散系数，因此现实了更迅速的反应动力。然而，纳米尺寸的活性材料具有大的表面积，由于形成固态电极界面(SEI)而导致高的不可逆容量损失。对于氧化硅基负极，在首次锂化期间的不可逆反应还导致在初始循环中大的不可逆容量损失。该不可逆容量损失消耗了正极中的Li，降低了全电池的容量。

对于Si基负极而言甚至更糟糕的是，由于在循环期间重复的体积变化，在负极上暴露出越来越多的新鲜表面，这导致SEI持续地生长。SEI持续地生长则持续地消耗正极中的Li，这导致全电池的容量衰减。

为了提供更多的锂离子以补偿在化成期间的SEI或其他锂消耗，可以通过负极预嵌锂提供额外的或补充的Li。若实施负极预嵌锂，则可以预先补偿不可逆容量损失，而不是消耗来自正极的Li。由此实现了电池的更高的效率和容量。

然而，恰好补偿来自负极的锂的不可逆损失的预嵌锂度无助于解决在循环期间消耗来自正极的Li的问题。因此，在此情况下无法改善循环性能。为了补偿在循环期间来自正极的锂的损失，在本发明中实施过度预嵌锂。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供对于在用于锂离子电池的硅基复合物中使用的粘合剂的进一步改性。根据本发明，通过进一步将处理材料引入复合物中，可以在所述硅基复合物中建立三维键合网络以及在粘合剂与硅基材料之间增强的相互作用，其中所述处理材料可以选自以下组中：聚多巴胺(下面简写为“PD”)和具有胺基和/或亚胺基的硅烷偶联剂。

根据本发明，可以通过在PD中的儿茶酚基与Si-OH之间形成的更强壮的氢键，或者通过在所述硅烷偶联剂中的水解端与Si-OH之间形成的共价键，实现粘合剂与硅基材料之间增强的相互作用。此外，PD或具有胺基和/或亚胺基的硅烷偶联剂通过由PD或硅烷偶联剂中的胺基/亚胺基与在粘合剂中所含的羧基形成的共价键连接至粘合剂。