[发明专利]一种多功能聚酰亚胺/纳米硅复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多功能聚酰亚胺/纳米硅复合负极材料及其制备方法和应用。该方法通过聚合单体和对苯二甲酰胺在纳米硅的分散液中高温缩聚，在纳米硅球表面形成一层均匀的聚酰亚胺包覆层，聚酰亚胺作为一种具有电化学嵌锂活性的包覆材料可以抑制硅颗粒在充放电过程中的巨大体积变化并保证稳定SEI界面的形成，同时其本身也是一种强效粘结剂，可以在电极材料颗粒之间以及电极材料和集流体之间建立稳定、牢固的联接。聚酰亚胺以包覆材料的形式引入，可以实现均匀稳定的电极结构。本发明工艺简单、成本低廉、综合性能优异，在锂离子电池中有广阔的前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种多功能聚酰亚胺/纳米硅复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

硅由于较高的理论比容量(4200mAh/g)，较低的充放电平台和在自然界中丰富的储量，被广泛认为是最具有潜力的锂离子电池负极材料。但是，硅负极在实际应用时具有一个不可避免的的问题。由于硅负极在充放电过程中会产生巨大的体积膨胀，导致硅负极容量衰减较快，具有很差的循环稳定性和倍率性能。聚酰亚胺是一种常见的工程塑料，依靠优异的热稳定性、较低的介电常数以及优良的力学和机械性能，已经广泛应用于许多先进的技术领域。它是一类含有功能性酰亚胺基的高分子，与其他高性能聚合物的区别在于依靠前驱体聚酰胺酸(PAA)的溶解性，可以制备成均匀的薄膜并定量转化为聚酰亚胺(PI)有前景的绿色和可再生的化石燃料替代品。最常见的PI是芳香族聚酰亚胺，其具有优越的力学性能、耐低温性能、耐电子辐射性、介电性能、绿色环保、热稳定性、机械性能(如低蠕变和高强度)、耐化学性和较高的热膨胀系数。芳香族PI的大分子骨架中含有刚性分子结构，因为其一系列优良的物理性能，现已被广泛地应用于电路电子、航空航天和汽车等行业。可以通过适当且有效地设计胺类和酰亚胺，以获得最佳的分子结构，从而将聚酰亚胺应用到各个领域。目前聚酰亚胺在锂离子电池中单独用作活性材料或者粘结剂的研究已经有过报道，但是针对多功能聚酰亚胺的研究几乎没有，这种多功能聚酰亚胺的研究将为锂离子电池硅负极应用和研究提供新的思路。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提出一种多功能聚酰亚胺/纳米硅复合负极材料及其制备方法和应用。多功能聚酰亚胺在锂离子电池硅负极制备过程中可同时作为粘结剂、包覆材料和活性材料，免去了二次粘结剂的添加。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种多功能聚酰亚胺/纳米硅复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纳米硅分散于有机溶液中，得到分散均匀的纳米硅分散液；

(2)将等摩尔比的聚合单体和对苯二甲酰胺(TA)加入到步骤(1)所述的纳米硅分散液中，得到反应物，所述聚合单体为均苯四甲酸二酐(PMDA)、3，4，9，10-苝四羧酸二酐(PTCDA)和1,4,5,8-萘四甲酸酐(NDA)中的至少一种；油浴加热反应物进行聚合反应，将聚合反应后的反应液进行真空干燥并研磨，然后在保护气体气氛下煅烧并再次研磨，即制备得到所述多功能聚酰亚胺/纳米硅复合负极材料。

优选的，步骤(1)所述纳米硅的颗粒尺寸为30～60nm。

优选的，步骤(1)所述纳米硅分散液的浓度为3.3～10mg/mL。

优选的，步骤(1)所述有机溶液为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。

优选的，步骤(2)所述聚合反应的温度为120～200℃，更优选为180℃。

优选的，步骤(2)所述聚合反应的时间为6～12h，更优选的为10h。

优选的，步骤(2)所述真空干燥的方式为：在100～200℃下真空干燥6～12h，更优选的为在140℃下真空干燥8h。

优选的，步骤(2)所述真空干燥并研磨的时间为0.5h；所述在保护气体气氛下煅烧并再次研磨的时间为0.5h。