[发明专利]一种三连续Si/C多孔电极及其应用

说明书

本发明公开了一种三连续Si/C多孔电极及其应用，以一种或两种以上有机高分子树脂与Si/C复合物混合，通过浸没相转化法制备而成三连续Si/C多孔电极，高分子树脂的质量占电极总质量的3wt％～50wt％。该类三连续Si/C多孔电极制备方法简单，工艺环保，电极厚度可控，孔径大小、孔隙率可调。对于三连续Si/C多孔电极，首先，粘结剂浸没相转化中形成了连续弹性多孔网络结构能够将Si/C材料紧紧包覆在其中，能够体积膨胀带来的不良影响，其次，连续贯通多孔结构，可以作为离子传输通道，加速锂离子的传输；最后，连续的三维导电网络，有利于电子传导。

技术领域

本发明涉及一种三连续Si/C多孔电极。

背景技术

在商业化的二次电池中，锂离子电池是目前能量密度最高的二次电池，但是基于“脱嵌”理论的锂离子电池，其理论比容量目前小于300mA h g^-1，实际能量密度小于300Whkg^-1，远不能满足人们对电动汽车500km续航的需求。其中商业化的锂离子电池主要以石墨作为储锂材料，表现出良好的电化学稳定性。但是，其理论比容量仅为372mA h g^-1，在很大程度上限制了锂离子电池能量密度的提高。因此，发展一种具有高理论比容量的负极储锂材料迫在眉睫。其中，Si由于理论比容量高达4210mA h g^-1，且在0～0.5V较窄的电压范围内工作而在众多负极材料中脱颖而出。其与碳材料复合而成的Si/C复合材料具有较高的导电性，且在一定程度上缓解体积膨胀造成的材料粉化而备受关注。

目前，Si/C负极主要集中于电极材料的研究，而忽略了电极结构设计及电极制备工艺设计的优化。传统刮涂烘干制备的Si/C负极孔隙率低，电极内部的锂离子传输较差，倍率性能较差。且在干燥过程中，粘结剂容易再次晶化，结晶度高，韧性差，难以阻碍材料在锂脱嵌过程中体积变化对材料结构的破坏，循环稳定性差。以上种种问题都将严重阻碍Si/C负极在锂离子电池中的应用。

本发明中的三连续Si/C多孔电极在浸没相转化过程中，瞬间成型，一步合成。一方面，粘结剂浸没相转化中形成了类似多孔膜的连续弹性多孔网络结构能够将Si/C材料紧紧的包覆在其中，能够大大缓解充放电过程中体积膨胀带来的不良影响，提高电池的循环性能；另一方面，通过浸没相转化法形成的连续贯通多孔结构，可以作为离子传输通道，有利于锂离子的传输和电解液的浸润，且连续的Si/C复合材料相构建出连续的三维导电网络，可作为电子传输路径，加速了电子传导；基于良好的电子导电性和离子导电性，有利于提高电池的倍率性能；综上所述，三连续Si/C多孔电极作为锂离子电池负极材料，在电极制备工艺、经济性及电池性能等各方面都表现出巨大的优势，具有良好的应用前景。通过对三连续Si/C多孔电极工艺参数的调节，进一步提高锂离子电池性能，具有重要的实用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种三连续Si/C多孔电极及其应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种三连续Si/C多孔电极，

以一种或两种以上有机高分子树脂与Si/C复合物混合，通过浸没相转化法制备而成三连续Si/C多孔电极，高分子树脂的质量占电极总质量的3wt％～50wt％，优选10wt％～25wt％。

所述高分子树脂为聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)中的一种或二种以上；

所述Si/C复合物为碳材料与Si的复合物，Si/C复合物中Si的质量占总质量的20wt％～80wt％，优选30wt％～60wt％；碳材料为碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、BP2000、KB600、KB300、XC-72、Super-P、乙炔黑、活性炭中的一种或两种以上。