[发明专利]锂离子电池用多孔导电块体负极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，属于多孔导电块体负极的制备技术，具体为一种不含任何粘合剂、有机溶剂和不使用集流体的锂离子电池用多孔导电块体负极的制备方法。

背景技术

锂离子二次电池以其工作电压高、比能量高、自放电率低、无记忆效应等优点正被广泛应用于现代通讯、信息技术、空间技术和现代国防等高科技领域。锂离子电池主要是由正极、负极、电解质以及隔膜四大部件组成。其中，电极材料是影响锂离子电池性能的关键。近年来，碳负极材料由于其嵌入的电位低且平坦，高的理论比容量(372mAh/g)，较高的首次充放电效率，价格低廉、资源丰富，成为目前商品化锂离子电池使用的主要负极材料。

随着人类生活水平的不断进步，人们对具备高容量小体积的锂离子电池的渴望日益增加。但是，受到传统而又复杂的锂离子电极制备技术，使得锂离子电池整体性能进一步提高受到制约。因此，近几年来大量的科研精力用于研发具备有高容量(能量)低成本的电极。

对于传统电极制备工艺而言(如文献Nature 414，359-367，2001所述)，正极和负极活性物质涂覆在作为集流体的金属箔上。通常，铝箔作为正集流体，铜箔作为负集流体。如图1(a)所示，传统负极极片的制备流程包括：混合负极材料、粘合剂制浆→涂布→辊压→切割→干燥，获得负极极片。该工艺流程复杂，需要粘合剂及多种工艺设备，电极制造成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不使用有机粘合剂、溶剂以及集流体的用于制备锂离子电池多孔导电负极块体电极的方法。该方法大幅度缩短了传统工艺流程，解决了常规制备负极极片冗长繁琐的工艺，需要多种设备以及价格昂贵的粘合剂和溶解粘合剂所需溶剂问题。并且，单位体积内所含有的活性物质的量大大得到提升。

本发明的技术方案是：

如图1(b)所示，通过碳负极材料或与有机物均匀混合后，再通过冷压成型的方法使其成型。烧结，使得碳负极材料颗粒互相连接同时形成多孔结构，其具体步骤如下：

(1)首先合成出碳负极粉末，或将碳负极粉末与有机物均匀混合，有机物占混合物总质量的0wt％-99wt％(优选为30wt％-60wt％)，将混合均匀的干燥粉末在模具中冷压成型，冷压压力1-500MPa(优选为20-200MPa)，冷压时间1-6000秒(5-120秒)。

合成出电极材料碳负极的过程为常规技术，请参见文献Carbon 39(2001)2211-2214。

(2)将成型好的块体放入管式炉中的恒温区，随后排出炉内空气后通入保护气体；接着升温至设定温度500-3000℃(优选为700-1200℃)后恒温0-360分钟(优选为20-120分钟)进行烧结处理并形成多孔结构。多孔结构的技术参数：孔隙率10％-99％(优选为50-90％)，具有大孔结构、中孔结构和微孔结构，大孔结构所占的全部孔容的体积分数为1％-99％(优选为30-60％)，中孔结构所占的全部孔容的体积分数为1％-99％(优选为30-60％)，其余为微孔结构；大孔结构孔径50nm-500μm(大孔结构孔径不含50nm)，中孔结构孔径2-50nm，微孔结构孔径小于2nm。

本发明中，有机物为柠檬酸、三聚氰胺、尿素甲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、酵母菌、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖之一种或者两种以上的混合物。

本发明中，所使用的碳负极材料的粒径为2nm-100μm。

本发明中，所述管式炉为横式炉或竖式炉。

本发明中，所述排出炉内空气和水蒸气的方式为抽真空或用惰性气体吹扫。

本发明中，所述保护气体为氮气、氩气之一，或氮气、氩气之一与氢气的混合气体，氮气或氩气与氢气的体积比为1∶(10-0)。

本发明的优点是：

1、本发明通过烧结冷压成型的负极材料粉末形成多孔结构，或再通过添加不同种类的有机物来提高多孔导电块体负极的电化学性能或制备出较大的块体负极。本发明方法不使用有机粘结剂，无需溶解粘合剂的溶剂，而且也无需使用金属集流体，因此，可大大节省成本。

2、本发明工艺过程及其简单，简化了电极的制造过程，因此进一步降低了电极的制造成本。

3、本发明方法可以使用不同尺寸的电极材料制备出含有不同尺寸孔结构的块体电极。因此可以大幅提高了块体电极的电化学性能。

4、本发明制备的电极不使用有机粘合剂，质量比容量较传统制备方法高。而且所制备出的块体电极具高容量，高能量密度等特点。