[发明专利]一种锂离子电池硅负极片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种高性能锂离子电池用硅材料负极片，及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于体积小、质量轻、寿命长、容量大、绿色环保、工作温度范围广等众多优点，成为新一代电源的有力候选者。

随着锂离子电池在便携式电器、储能领域应用的增加，人们对电池的循环性能以及比容量和比能量提出了更高的要求。而如何满足电动汽车等在复杂情况下高安全性的要求？如何满足产业化动力汽车超功率、高容量、高能量的要求？这些成为困扰锂电池研究发展的一个瓶颈。

在我国，硅储量非常丰富(在地壳中的含量仅次于氧)，且化学性质比较稳定，环境友好，已广泛用于半导体工业中，人们对它的研究相对较为完善。硅材料作为锂离子电池负极既具有比传统碳负极高出十倍的比容量(质量比容量为：4200mAh/g；体积比容量为：9786mAh/cm³)，又具备一个较低的放电电位(平均脱锂电位在0.4V左右)。

但是硅作为负极活性物质时，在电化学循环过程中，存在较大的体积变化(400％)，从而造成与电机接触性变差，导致容量迅速衰减。为解决上述问题，研究者们已进行了多项研究。包括：纳米化、结构设计、合金化、掺杂、非晶硅的利用以及改善硅粘结剂。

因此改善硅材料作为电极活性物质，我们从结构设计、电极组成等方面改善锂离子电池硅负极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池用硅材料负极片及其制备方法，应用该方法制备的锂离子电池负极片组成的动力电池具有高的比容量、较好的首次库伦效率以及较好的循环性能。

本发明所述的锂离子电池用硅材料负极片包括：金属集流体和在所述金属集流体表面涂覆的硅碳活性物质，本发明提供的制备方法关键在于将所述的金属集流体和涂覆在其表面的硅碳复合材料经过一步法处理得到硅材料锂离子电池负极片；同时采用具有较好的耐高温特性和导电性的锂离子电池粘结剂。

本发明的上述目的是通过以下具体的技术方案实现的：

提供一种锂离子电池用硅材料负极片，它是由涂覆有硅碳复合材料层的金属集流体在惰性气氛或空气气氛下，于200～800℃下热处理0.1～60min得到的。

本发明优选的方案中，按重量百分比计，所述的硅碳复合材料层含有85％～98.5％的硅类活性物质和碳类活性物质的混合物、1％～10％的粘结剂和0.5％～5％的分散剂。

所述碳类活性物质的粒度为0.03～50μm；所述硅类活性物质的粒度为0.01～10μm；所述碳类活性物质材料选自碳纳米管(CNTs)、碳纤维(VGCF)、KS-6、SFG-6、MCMB、石墨烯、科琴黑、Super P、乙炔黑、导电炭黑或硬碳等工业上常见的导电剂中的一种或者几种的混合物；所述的硅类活性物质材料为晶体硅或者非晶硅。

所述的粘结剂选自PVDF、PTFE、PI、PAN、PAA、PMIA、海藻酸钠、PVA、CMC、酚醛树脂或环氧树脂等高分子聚合物中的一种或者两种以上的混合物，所用的分散剂选自PVA、十六烷基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠或硅烷偶联剂中的任意一种或两种以上的混合物。

本发明优选的方案中，所述的粘结剂是PAN或PAA。

本发明优选的方案中，所述的金属集流体为铜箔或泡沫铜；最优选厚度大于或等于8μm且小于或等于30μm的铜箔。

本发明优选的方案中，所述的硅碳复合材料层厚度大于或者等于10μm且小于或者等于300μm。

本发明优选的方案中，所述的惰性气氛优选含有氮气的气氛。

本发明优选的方案中，所述的热处理是在惰性气氛或空气气氛下，于300～700℃下热处理0.5～30min；最优选在700℃下热处理0.5min。

本发明还提供一种锂离子电池用硅材料负极片的制备方法，具体包括以下步骤：

(一)将硅碳复合材料粉体加入含分散剂的粘结剂溶液中制备成电极浆液，然后涂布在金属集流体表面上，经固化、烘干得到电极片；

(二)将步骤(一)得到的电极片在惰性气氛或空气气氛下，于200～800℃下热处理0.1～60min，得到锂离子电池用硅材料负极片。

本发明优选的制备方法，包括以下步骤：

(二)电极的制备：

1)分散：按质量百分比，将10～90％的硅类活性物质材料、10％～90％的碳类活性物质材料粉体均匀混合，得到负极混合材料粉体；