[发明专利]一种高性能硅碳负极极片及其制备方法

说明书

本发明涉及锂电池领域，针对硅负极在嵌锂过程中体积变化大的问题，提供一种高性能硅碳负极极片，配方为：按质量份数计，硅碳复合材料90～96份，添加剂多孔碳1～4份、导电剂0.5～2份，粘结剂1.2‑4份，其中硅碳复合材料由硅基材料和石墨材料组成。本发明采用多孔碳材料作为添加剂，可很好的缓冲硅基负极材料在充放电过程中带来的巨大体积效应，结构稳定性得到大大的提高，从而抑制负极膨胀。本发明还提供所述高性能硅碳负极极片的制备方法。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其是涉及一种高性能硅碳负极极片及其制备方法。

背景技术

作为商业化锂离子电池的负极材料，石墨的实际比容量几乎已达到其理论值372mAh/g，已不能满足日益增长的能源需求。作为替代商业化石墨负极最具前景的候选材料之一，硅具有比容量高(4200mAh/g)、无毒性等明显优势，然而硅负极在嵌锂/脱锂过程中产生的体积变化可达280-400％，这会导致电极材料粉化、脱落，使得循环衰减厉害。目前硅基材料使用最常规的一个方法是将硅材料与石墨进行混合使用，在保证提升容量的前提下，利用石墨具有较大比表面积的优点，石墨材料可缓冲硅材料在充放电过程中体积的膨胀和缩小。

现有的技术方案是将硅基材料与石墨按需求比例混合使用，虽可缓和硅基材料因体积膨胀导致的材料粉化、脱落，但随着硅基长期的体积膨胀收缩会导致电极内部导电网络的断开，从而降低电池的循环寿命。例如专利CN107819105A公开了一种硅碳负极极片的制作方法，包括如下步骤：将硅碳负极浆料均匀涂覆在铜箔集流体的两面得到硅碳负极极片，其中，铜箔集流体上带有均匀分布的微孔，铜箔集流体的一面为A面，另一面为B面；涂覆工艺为：先在A面涂覆重量不超过1/4面密度的硅碳负极浆料，红外烘干，再在A面涂覆剩余的硅碳负极浆料，烘干，然后涂覆B面，烘干得到硅碳负极极片；或先在A面涂覆重量不超过1/4面密度的硅碳负极浆料，红外烘干，然后涂覆B面，烘干，再在A面涂覆剩余的硅碳负极浆料，烘干得到硅碳负极极片。该发明制备得到的硅碳负极极片具有较高的涂覆量和压实密度，但需要多次进行涂布，工艺繁琐。据此需要一种理想的解决方案。

发明内容

本发明为了克服硅负极在嵌锂过程中体积变化大的问题，提供一种高性能硅碳负极极片，采用多孔碳材料作为添加剂，可很好的缓冲硅基负极材料在充放电过程中带来的巨大体积效应，结构稳定性得到大大的提高，从而抑制负极膨胀。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高性能硅碳负极极片，配方为：按质量份数计，硅碳复合材料90～96份，添加剂多孔碳1～4份、导电剂0.5～2份，粘结剂1.2-4份，其中硅碳复合材料由硅基材料和石墨材料组成。多孔炭材料是有不同尺寸孔结构的炭素材料，其具有高度发达的比表面积和孔隙结构，其孔径大小可从分子大小的超细纳米级微孔到适于微生物活动的微米级细孔。采用多孔碳材料作为添加剂，可很好的缓冲硅基负极材料在充放电过程中带来的巨大体积效应，结构稳定性得到大大的提高，从而抑制负极膨胀。

作为优选，导电剂为碳黑和单壁碳纳米管的混合物。导电剂采用单壁碳纳米管与碳黑相结合，单壁碳纳米管具有高长径比(直径：1～4nm，长度：≥30μm)，可很好地连接硅碳复合材料(硅碳复合材料由硅基材料和石墨材料组成，硅基材料D50一般为5μm，石墨材料D50一般为15μm)，即使在充放电过程中硅基材料较大的体积收缩变化也可以很好地保持导电网络，从而提升电池性能的稳定性。

作为优选，粘结剂为质量比(0.2-3):3的羧甲基纤维素CMC和聚丙烯酸混合物。

作为优选，多孔碳的孔径为100-300nm。将多孔碳材料里的孔径限制在200nm左右，远远大于电解液(1nm)，可使电极加快对电解液的吸液速率，同时提升其保液率，从而改善长期循环性能。

本发明还提供上述高性能硅碳负极极片的制备方法，包括以下步骤：