[发明专利]一种含多孔聚合物弹性体的锂离子电池薄膜负极及制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种锂离子电池用的薄膜负极及制备方法，特别涉及一种具有高容量与优异循环性能、包含有多孔聚合物弹性体组分的含多孔聚合物弹性体的锂离子电池薄膜负极及制备方法。属于电化学技术领域。

背景技术

电动车等领域对高能锂离子电池的需求越来越迫切。目前，以石墨类炭材料作为负极材料的商业化锂离子电池，由于炭类负极比容量低(理论容量372mAh/g)等缺陷，严重阻碍了锂离子电池容量的进一步提高。近年来所开发替代炭材料的高容量负极材料，如Al、Sn、Ge金属及其合金以及高容量的纳米Si及其合金，尽管有非常高的首次嵌锂容量，但由于在随后嵌脱锂过程中会发生大的体积变化，导致材料的粉化、二次团聚从而慢慢使活性物质失去活性，使得这些材料的容量衰减很快，另外，嵌脱锂过程中的体积变化也会使得负极片与集流体之间失掉紧密的电接触，因而，这些高容量材料到目前还没有大规模商业化应用。因此，研究改善这些高容量负极材料的技术意义重大。

近来，在改善这些具有高首次嵌锂容量、但嵌脱锂过程中容易发生体积膨胀的材料的电化学性能方面做了大量的工作，纳米化是提高这些材料循环性能的有效途径，然而纳米化并不能从根本上解决膨胀、粉化导致电池内阻增加、循环性能恶化的缺陷；纳米薄膜具有高的比容量、良好的循环性能与大倍率充放电性能，但其有效活性物质较少，且制备条件苛刻；纳米线与纳米管对抑制充放电过程的膨胀有效，但在高电流密度下的Si纳米线极化加强，从而影响了材料的倍率性能与循环寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种具有多孔聚合物弹性体以及高容量纳米活性物质的容量高、循环性能好的含多孔聚合物弹性体的锂离子电池薄膜负极及制备方法。

本发明一种含多孔聚合物弹性体的锂离子电池薄膜负极，包括铜箔集流体、表面涂层；所述表面涂层均匀涂覆在所述铜箔集流体表面；所述表面涂层由高容量纳米粒子复合在定向多孔聚合物弹性体中构成。

本发明中，所述表面涂层的厚度为10-150um。

本发明中，所述定向多孔聚合物弹性体中，孔的直径在1-100nm，孔的总容积占整个弹性体体积的10％-80％；相邻孔之间由聚合物隔开，互不连通；孔的轴线平行于所述表面涂层的厚度方向。

本发明中，所述定向多孔聚合物弹性体选自电导率为80-200S/cm的多孔聚噻吩、多孔聚吡咯或多孔聚苯胺中的一种。

本发明中，所述高容量纳米粒子选自粒度在1-100nm、首次嵌锂容量在500mAh/g以上的纳米Al、Sn、Ge金属及其合金或纳米Si及其合金中的一种。

本发明中，所述高容量纳米粒子复合在定向多孔聚合物弹性体的孔中；所述高容量纳米粒子占复合弹性体的体积百分比为10％-80％。

本发明中，所述表面涂层采用机械涂覆方法涂覆在所述铜箔集流体表面。

本发明一种含多孔聚合物弹性体的锂离子电池薄膜负极的制备方法，包括下述步骤：

第一步：配制包含有表面改性处理过高容量纳米粒子的悬浮液

首先，对高容量纳米粒子进行表面改性----取高容量纳米粒子置于搅拌器中搅拌，同时，滴加表面改性剂，得到表面改性后的高容量纳米粒子；所述搅拌的速度为500-5000r/min，时间为15-120min；所述表面改性剂的加入量为高容量纳米粒子质量的万分之一到千分之一，所述表面改性剂选自硅烷偶联剂、硬脂酸或钛酸酯偶联剂中的一种。

其次，制备包含有表面改性高容量纳米粒子的悬浮液----将表面改性处理过的高容量纳米粒子，通过超声分散到可挥发有机溶剂中，形成高容量纳米粒子悬浮液，混合液中固含量为1-20％；所述可挥发有机溶剂选自甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、丙酮中的一种；所述超声分散用超声波强度为20-1000kHz，时间为15-120min。

第二步：表面涂层的制备

从多孔聚噻吩、多孔聚吡咯或多孔聚苯胺的定向多孔导电聚合物弹性体中选取一种，并将其置于设有砂芯的漏斗中，然后将第一步所得的高容量纳米粒子悬浮液添加到漏斗中，同时进行抽滤；实现高容量纳米粒子装载在定向多孔聚合物弹性体的孔中；或

将第一步所得的高容量纳米粒子悬浮液滴加到定向多孔聚合物弹性体表面，然后用对辊滚压；实现高容量纳米粒子装载在定向多孔聚合物弹性体的孔中；得到高容量纳米粒子复合在定向多孔聚合物弹性体中的表面涂层；

第三步，将第二步所得的表面涂层通过机械涂覆方式涂覆在铜箔上，于30-80℃烘干，即得含多孔聚合物弹性体的锂离子电池薄膜负极。