[发明专利]制备锂离子电池的阳极的方法

说明书

描述了制备用于在锂电池中使用的的电极的方法和通过该方法所得到的电极。该方法包括将硅、硫掺杂石墨烯和聚丙烯腈的浆料涂覆在集流体上，随后进行缓慢热处理。

技术领域

本发明涉及用于制备锂电池电极的方法和通过所述方法制备的阳极。更具体地，本发明涉及用于制备包括与硫掺杂石墨烯结合并与聚丙烯腈组合的硅颗粒的阳极的方法。

背景技术

高性能便携式电子和混合(或电动)汽车的成功主要取决于市售可得的可充电电池进一步的技术进步。锂离子电池(LIB)被认为是最可能能满足这些要求的储能装置。然而，需要在功率密度、能量密度、循环寿命和安全性以及降低生产成本方面取得重大进展。目前的LIB利用石墨阳极，通过将锂嵌入到石墨层中来储存能量。这种在商业上成功的设置只能提供370mAhg-1的最大理论容量(Shang W.J.；A review of the electrochemicalanity for lithium ion batteries,J.Power Sources 196,13-24(2011))。结合其它组件可提供电势以将该容量大大提高。例如，硅可以提供理论上高达4200mAhg-1的容量，对应于以下合金反应：

4.4Li+Si→Li4.4Si(1)

虽然作为新一代阳极材料，Si基复合材料提供了巨大的前景，但在锂化和脱锂过程中其体积的极端变化导致了随时间的结构降解和性能损失，从而妨碍了其实际应用。

许多期刊文章以及专利都涉及提高硅的性能和循环稳定性。Magasinski等人(Nature Material,9(2010)353-358)通过硅烷在退火的炭黑树枝状颗粒上分解并通过化学气相沉积(CVD)工艺涂覆碳制备了硅纳米颗粒。本文描述了可逆容量是现有技术的阳极(1950mAh g-1)的五倍以上且性能稳定。Cui等人(Nature Nanotechnology,3(2008)31-35)制备了基于硅纳米线的高性能阳极。他们以金为催化剂，采用气-液-固(VLS)方法在CVD工艺中制备了硅纳米线。该文章描述了实现硅阳极的理论容量，并保持放电容量接近最大值的75％。然而，该方法使用了高成本的催化剂材料。Kim等人(Nano letters,8,(2008)3688-3691)通过使用SBA-15介孔二氧化硅材料作为模板制备了Si核和碳壳结构。他们以600mA/g的速率实现了具有86％的库仑效率的3163mAh/g的首次充电容量，并且在80个循环后保持了其容量的87％。但是，当他们将倍率性能提高到6A/g时，则容量下降至78％。在US 2005/0031957 A1中，将硅微粒与包括由至少两种金属和固溶体形成的金属间化合物的电化学惰性相进行混合，产生Si55Al30Fe15组合物(例如)。即使这些电极显示出改善的循环稳定性，但由于在其电极中包括惰性组分，这些电极的比容量损失很大。US 2009/0130562描述了涂覆碳的硅纳米颗粒，并将其用作阳极材料。包括硅、碳和石墨的复合材料在几乎5个循环中显示出约900mAh/g的容量。US 2010/0062338A1描述了将硅纳米颗粒用作活性材料和结合硅纳米颗粒的弹性粘结剂以及添加导电材料如Super P或石墨。在该专利中，作者声称，这些电极添加剂改善了电池的循环稳定性；然而，他们并没有揭露具体的性能结果。在US2012/0121977 A1中，发明人描述了硅纳米颗粒周围的界面层。该层具有良好的电子传导性、弹性和附着力。该层是由单体和具有多个官能团的聚合物形成的。容量为约400mAh/g，并随循环数增加而增加，在约100次循环后高达到最大值约1000mAh/g，然后在接下来的100次循环中衰减，在第200次循环时达到700mAh/g。在US 2012/0129054中，发明人采用了具有或不具有碳涂层的硅纳米线，并且还要求在电池制造过程中向电解质中添加焦碳酸二烯丙酯。

Zhang等人在US2014/0186701中描述了通过将包括硅、碳和集流体的一种或多种的悬浮液电泳沉积(EDP)至铜集流体上并使被沉积的材料在碳基质上干燥而制备的复合阳极。