[发明专利]一种多孔薄膜电极材料及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201611173995.7 申请日: 2016-12-19
公开(公告)号: CN106601989B 公开(公告)日: 2019-06-28
发明(设计)人: 胡先罗;赵前进;黄云辉 申请(专利权)人: 华中科技大学
主分类号: H01M4/13 分类号: H01M4/13;H01M4/139
代理公司: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 许恒恒
地址: 430074 湖北*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 一种 多孔 薄膜 电极 材料 及其 制备 方法
【说明书】:

发明公开了一种多孔薄膜电极材料及其制备方法,其中制备方法包括以下步骤:分别将硅粉分散于乙醇中、将有机高分子原材料分散于有机溶剂中,再两者均匀混合,接着,向其中加入氧化石墨烯溶液分散均匀得到前驱液;然后将前驱液置于模具容器中,干燥形成薄膜;再将薄膜在载气与还原性气体的混合气氛下,在100℃~1000℃的温度下烧结,从而得到多孔薄膜电极材料。本发明通过对关键工艺流程设计、前驱液的组分配比等进行改进,能够有效解决硅基材料作为锂离子电池负极循环性差、纳米结构制备复杂且成本较高的问题。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域,更具体地,涉及一种多孔薄膜电极材料及其制备方法,该多孔薄膜电极材料尤其是可用于锂离子电池的多孔薄膜负极材料。

背景技术

随着新型能源的开发和利用,能源的局限性(如间歇性,区域性)逐渐显露出来,能量存储和调配日益重要。目前,商业使用的能量存储装置主要是锂离子电池,其中负极材料主要利用碳材料,但是由于电动汽车等设备的发展,大大增加了对电池能量密度的需求,碳材料逐渐满足不了商业需求,寻求下一代高比能电池材料成为研究热点。硅作为锂离子电池负极材料,其理论容量达到4200mA h g-1,近于碳材料的10倍,是下一代锂离子负极材料的翘楚。

由于硅材料在充放电过程中,体积变化很大(≥300%),SEI膜破碎再生过程会使硅材料循环性能很差。为了解决其循环问题,研究工作者设计了很多纳米结构,纳米线、纳米管、core-shell结构、yolk-shell结构等,但是纳米结构材料制备比较困难,而且成本较高,难以实现大规模生产。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明的目的在于提供一种多孔薄膜电极材料及其制备方法,其中通过对其关键工艺流程设计、前驱液的组分配比等进行改进(尤其是对制备方法的具体步骤及产物中各成分和结构进行研究和设计),与现有技术相比能够有效解决硅基材料作为锂离子电池负极循环性差、纳米结构制备复杂且成本较高的问题,并且,制得的多孔薄膜电极材料(即,硅/碳复合电极)是拥有锂离子电池活性的多孔薄膜电极材料,拥有良好的循环性能和倍率性能,该多孔薄膜电极材料在循环200圈之后还具有近1000mA h g–1的可逆容量,循环性能大大提高,尤其可用于锂离子电池并作为负极材料。

为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种多孔薄膜电极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)将硅粉分散于乙醇中,超声搅拌处理后得到第一分散系;

(2)将有机高分子原材料分散于有机溶剂中,得到第二分散系;

(3)将所述步骤(1)得到的所述第一分散系与所述步骤(2)得到的所述第二分散系两者均匀混合、并经超声搅拌处理得到第三分散系;

(4)将氧化石墨烯溶液加入到所述步骤(3)得到的所述第三分散系中,超声分散后得到第四分散系;

(5)将所述步骤(4)得到的所述第四分散系置于模具容器中,并在40℃~200℃的条件下静置干燥,形成薄膜;

(6)将所述步骤(5)得到的所述薄膜在载气与还原性气体的混合气氛下,在100℃~1000℃的温度下烧结,从而得到多孔薄膜电极材料;

优选的,所述载气为氮气或惰性气体,所述还原性气体为氢气。

作为本发明的进一步优选,针对所述步骤(2)中的所述有机高分子原材料,当该有机高分子原材料在800℃下处理5h后,处理后有机高分子原材料中的剩余碳元素含量不超过处理前有机高分子原材料中的碳元素总含量的50%;

优选的,所述有机高分子原材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚乙二醇PEG、聚丙烯腈PAN、聚乙烯吡咯烷酮PVP、以及聚乙烯醇缩丁醛PVB中的至少一种。

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