[发明专利]用于锂离子电池的多孔硅基负极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极及其制备方法。

背景技术

目前商品化的锂离子电池大多采用石墨负极，虽然具有库伦效率高、循环性能较好等优点，但是其理论容量很低，限制了整个电池比容量的提高。因此，开发新型高比容量的负极非常重要。硅和锂可形成Li ₁₂Si₇，Li ₇Si₃，Li ₁₃Si₄和Li ₂₂Si₅等多种相态的Li-Si合金，其理论容量高达4200mAh/g，是目前所研究的各种合金负极材料中理论容量最高的负极材料。而且，锂嵌入硅的电压低于0.5V，嵌入过程中不存在溶剂分子的共嵌入，非常适用于作锂离子电池的负极材料。但是，硅基材料最大的问题是在Li嵌入和脱出中的巨大体积变化(100～300% )，最终导致材料内部结构的破坏，从而引起严重的材料形态变化，进而影响电极材料的循环性能。因此，针对高容量硅基材料的研究和开发主要集中在抑制材料膨胀、改善循环性能方面。目前采用较多的办法是对硅材料进行优化与改性，比如采用纳米硅粉、硅纳米线或者硅复合材料等。这些方法在一定程度上提高了硅负极的循环稳定性，使硅材料更趋于实用化。但是，这些方法提高稳定性的效果有限，而且制备这些硅材料的工艺复杂，对环境有较大污染，增加了电极的制作成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有硅基材料作为电池负极在Li嵌入和脱出中的巨大体积变化，导致材料内部结构的破坏，影响电极材料循环性能的问题，提供了一种用于锂离子电池的多孔硅基负极及其制备方法。

本发明用于锂离子电池的多孔硅基负极由导电集流体层和涂覆在导电集流体层上的活性层组成，所述的活性层由硅活性材料、导电剂和粘结剂组成，活性层的孔率为10%～60%，平均孔径为1nm～5μm，厚度为0.5～200μm，所述的硅活性材料占活性层总重量的5%～85%，所述的导电剂占活性层总重量的4%～70%，所述的粘结剂占活性层总重量的1%～35%；导电集流体层为金属铜箔，金属铜箔厚度为10～100μm。

所述用于锂离子电池的多孔硅基负极的制备方法如下：一、将粘结剂溶于溶剂中，得混合物，溶剂的重量为粘结剂重量的0.1～100倍；二、向步骤一所得的混合物中加入导电剂、硅活性材料和成孔剂，在室温下搅拌1～48h，在金属铜箔表面涂制电极，经干燥、辊压处理后，在气体保护、温度为50～400℃的条件下热处理0.5～10h，即得由导电集流体层和涂覆在导电集流体层上的活性层组成的用于锂离子电池的多孔硅基负极；所述的活性层由硅活性材料、导电剂和粘结剂组成，活性层的孔率为10%～60%，平均孔径为1nm～5μm，厚度为0.5～200μm，所述的硅活性材料占活性层总重量的5%～85%，所述的导电剂占活性层总重量的4%～70%，所述的粘结剂占活性层总重量的1%～35%；导电集流体层为金属铜箔，金属铜箔厚度为10～100μm；步骤二中所述成孔剂的添加量占多孔硅基负极总重量的10%～75%；步骤二中所述的保护气体为氩气、氦气及氮气中的一种或几种的混合气体，或者步骤二中所述的保护气体为氩气、氦气或氮气与氢气的混合气体。

所述的硅活性材料为硅粉、硅纳米线及硅纳米管中的一种或其中几种的混合物，所述硅粉的粒径为10nm～20μm；所述硅纳米线的直径为10～1000nm，长度为1～50μm；所述硅纳米管的直径为10～1000nm，长度为1～50μm；所述的导电剂为铜粉、铝粉、镍粉、铜纤维、铝纤维、镍纤维、乙炔黑、炭黑、人造石墨、天然石墨、碳纳米管及碳纳米纤维中的一种或其中几种的混合物；所述的粘结剂为羧甲基纤维素、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇及聚氧化乙烯中的一种或其中几种的混合物；所述的溶剂为pH值为3的柠檬酸-氢氧化钾溶液、水、N-甲基吡咯烷酮或N                                               ,N-二甲基甲酰胺；所述的成孔剂为氟化铵、氯化铵、硝酸铵、甲酸铵、草酸铵、醋酸铵、柠檬酸铵、聚乙二醇、三乙醇胺、碳酸铵及碳酸氢铵中的一种或几种的混合物。

本发明的优点如下：

1）本发明的高孔率的多孔硅基负极，可以提高硅材料与电解质的接触面积，从而提高锂离子的嵌入和脱出速度，有利于改进硅负极的容量和大电流放电性能。

2）本发明的高孔率的多孔硅基负极的空隙可以有效缓冲硅的体积变化，明显改善硅基负极的循环稳定性。