[发明专利]硅碳负极极片及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种硅碳负极极片的制备方法，首先将多孔硅与有机碳氮源等制备成浆料涂覆在集流体的表面，再进行热解处理，在集流体的表面原位生成氮掺杂的硅碳材料，形成硅碳负极极片，避免了将硅碳材料制备成浆料然后涂覆在集流体的表面这一过程中对硅碳材料的结构和形貌的破坏，并且氮掺杂的硅碳材料由于氮元素的掺杂，提升了硅碳负极极片的电子传导性和离子传导性，对涂布极片在保护性气体氛围下热解处理，将有机碳氮源碳化，同时也避免了负极集流体发生氧化。该制备方法得到的硅碳负极极片，硅碳材料的结构形貌均一性好，极片充放电过程的体积变化小，循环性能良好，在循环1000圈后容量保持率仍在84％以上。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅碳负极极片及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池是采用含有锂元素的材料作为电极，依赖锂离子在正极和负极之间移动来工作的一类电池。锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和循环寿命长等诸多优点，因而在便携式电子设备、动力电池和储能电池等领域得到了极大的关注。随着电动自行车、电动汽车、混合动力汽车还有大型储能系统的快速发展，对锂离子电池的循环稳定性、能量密度、充放电性能等性能均提出了更高的要求。

传统锂离子电池的负极材料以碳材料为主，如天然石墨、人造石墨、石墨化中间相碳微球等，然而碳材料的容量现已接近其理论容量(372mAh/g)，碳负极材料成为锂离子电池容量提升的瓶颈。硅作为锂离子电池负极材料之一，因其较高的理论比容量(4200mAh/g)、环境友好、储量丰富等特点，因而被认为是极有潜力的新一代锂离子电池负极材料。然而，由于硅的电子电导率和离子电导率较低，导致其电化学反应的动力学性能较差；单纯硅在充放电过程中还存在严重的体积膨胀，导致材料颗粒分化、脱落，因此循环稳定性较差。针对硅负极材料存在的问题，目前的改善方式主要是采用硅碳负极材料涂布于集流体形成负极极片，但是硅碳材料的结构形貌在制备极片过程中容易被破坏，从而影响了硅碳材料的性能。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构稳定且循环性能好的硅碳负极极片及其制备方法与应用。

本发明的一个方面，提供了一种硅碳负极极片的制备方法，包括以下步骤：

将多孔硅、有机碳氮源、粘结剂、分散剂及溶剂超声搅拌，得到浆料，所述有机碳氮源选自聚糠醇、氨基胍、尿素、脂肪胺及芳香胺中的至少一种；

将所述浆料涂布于集流体上，干燥收卷，得到涂布极片；

将所述涂布极片在保护性气体氛围中热解处理，冷却得到硅碳负极极片。

在其中一些实施例中，所述多孔硅的粒径为50nm～10μm，孔隙率为20％～80％，孔径为10nm～500nm，比表面积为50m²/g～300m²/g。

在其中一些实施例中，所述粘结剂选自丁苯橡胶、聚丙烯腈多元共聚物乳液及聚偏四氟乙烯中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述分散剂选自羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯醇天然油脂、高碳醇或二甲基硅油、二甲基亚砜及乙酸乙酯中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、去离子水及无水乙醇中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述多孔硅、有机碳氮源、粘结剂、分散剂及溶剂的质量比为1：(0.05～1)：(0.015～0.1)：(0.015～0.08)：(1～2.5)。

在其中一些实施例中，所述集流体为铜箔、碳布、镍箔及钛箔中的一种。

在其中一些实施例中，所述超声搅拌的时间为1h～5h，超声的频率为20kHz～50kHz。

在其中一些实施例中，所述热解处理的温度为300℃～900℃，时间为0.5h～3h。