[发明专利]一种多功能高导电微胶囊及自修复硅负极

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体提供一种多功能高导电微胶囊及自修复硅负极，用以解决现有硅负极在循环过程中因体积膨胀而产生巨大应力以及膨胀过后产生裂纹导致电极脱落的问题；本发明中多功能高导电微胶囊作为自修复添加剂引入硅负极，形成多功能高导电微胶囊/硅自修复硅负极，在硅颗粒脱嵌锂过程中发生的体积变化进而诱导微胶囊添加剂破裂，释放出高电导率和流动性的液态金属，伴随着其在极片内部的流动，填补极片中的裂缝并形成高导电网络，最终实现极片导电网络修复与结构完整性修复；并且，基于微胶囊壳层表面丰富的羧基与羟基官能团，赋予微胶囊较好的粘附强度，在降低粘结剂用量的同时提升硅颗粒负载量，构筑高能量密度硅负极。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体为一种多功能高导电微胶囊，及其作为自修复添加剂在硅负极中的应用。

背景技术

锂离子电池(LIBs)被广泛用作便携式电子设备、电动汽车的可靠电源，以及可再生能源的存储设备，引起了越来越多的研究注意。硅(Si)由于其高比容量(4200mA g^-1，Li_4.4Si)、低放电电位及环境友好等，显示出作为LIBs负极材料的巨大潜力；然而，Si材料在嵌锂/脱锂过程中面临着大的体积变化和低电导率，特别是，Si与Li的合金化/去合金化反应会导致约300％的体积变化，从而产生可能破坏Si-Si键并导致电接触失效的大应力；因此，硅负极在循环过程中容量衰减很快。

针对上述问题，许多关于先进硅负极的研究被公开，主要方向为硅的结构修饰或硅碳复合等；特别是Si/C复合材料，不仅缓冲了内部硅连续体积膨胀所产生的巨大应力，而且有效地提升了硅的电导率；例如文献“Wang,K.；Pei,S.；He,Z.；Huang,L.；Zhu,S.；Guo,J.；Shao,H.；Wang,J.Synthesis of a novel porous silicon microsphere@carboncore-shell composite via in situ MOF coating for lithium ion batteryanodes.Chem.Eng.J.2019,356,272-281.”中通过自腐蚀反应、退火和蚀刻处理合成的多孔Si/C核壳复合材料，其在1Ag^-1下经过500次循环后可逆容量为1027.8mAg^-1；然而，在已报道的Si/C复合材料中，一旦裂纹和剥落发生，电子传输通道就可能断裂，导致硅负极的循环稳定性变差，难以满足商业化应用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能高导电微胶囊及自修复硅负极，用以解决现有硅负极在循环过程中因体积膨胀而产生巨大应力以及膨胀过后产生裂纹导致电极脱落的问题；本发明中多功能高导电微胶囊是在高粘度的聚乙烯醇(PVA)或海藻酸(Alg)溶液中进行乳化，有利于液态金属稳定且均匀乳化，并进一步通过苯酚-尿素-甲醛在液态金属乳液表面的原位缩聚反应形成脲醛树脂/PVA或脲醛树脂/Alg复合壳层，得到高球形度、高单分散性的多功能高导电微胶囊；进一步，本发明中多功能高导电微胶囊作为自修复添加剂引入硅负极，形成多功能高导电微胶囊/硅自修复硅负极，在硅颗粒脱嵌锂过程中发生的体积变化进而诱导微胶囊添加剂破裂，释放出高电导率和流动性的液态金属，伴随着其在极片内部的流动，填补极片中的裂缝并形成高导电网络，最终实现极片导电网络修复与结构完整性修复；并且，基于微胶囊壳层表面丰富的羧基与羟基官能团，赋予微胶囊较好的粘附强度，在降低粘结剂用量的同时提升硅颗粒负载量，构筑高能量密度硅负极。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多功能高导电微胶囊，包括壳材与芯材，芯材包覆于壳材中；其特征在于，所述微胶囊呈球形，所述壳材为脲醛树酯/聚乙烯醇(PVA)复合层或脲醛树酯脂/海藻酸(Alg)复合层，所述芯材为以下低熔点液态金属中的一种：单元液态金属：Ga，二元液态金属：Ga/In、Ga/Sn、Ga/Al、Ga/Zn、Ga/Ag，多元液态金属：Ga/In/Sn、In/Sn/Bi、Bi/Pb/Sn、Bi/Pb/Sn/Cd、Bi/Pb/Sn/Cd/In；所述多功能高导电微胶囊用于硅负极中作为自修复添加剂。