[发明专利]锂离子电池柔性电极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明涉及电池领域，公开了一种锂离子电池柔性电极材料及其制备方法和锂离子电池，锂离子电池柔性电极材料的制备方法包括：(1)将含碳聚合物溶解于溶剂中，得到溶液；(2)将主体材料和/或主体材料的前驱体与所述溶液进行混合，得到纺丝液，然后进行静电纺丝，得到纺丝物；(3)对所述纺丝物依次进行预处理和热处理，得到锂离子电池柔性电极材料；所述主体材料含有聚阴离子磷酸盐、硅酸盐、富锂材料、三元材料、过渡金属氧化物、含锂金属氧化物和硅中的至少一种。本发明提供的柔性电极材料制备方法简单、普适性强、成本低廉，并且本发明制得的柔性电极材料用于锂离子电池中具有较高的充放电比容量、循环可逆性。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体地，涉及一种锂离子电池柔性电极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

柔性电极材料是目前研究比较热门的方向，柔性材料因具备可弯折、便携带等优点越来越受到热捧，具有巨大应用前景，如曲面显示屏、智能服装、电子皮肤、医疗器械等。而与之相匹配的柔性电池材料的发展也备受关注。目前，锂离子电池由于其较高的能量密度和功率密度，被认为是最理想的化学电源之一。而传统的锂离子电池往往体积较大、重量较重，因为通常的电极材料往往需要有铜箔或铝箔作为集流体，需要粘结剂将活性材料附着在集流体上，需要额外添加导电剂，这会大大增加电池的重量。另外，硬质极片在电解液的浸润下，如果再发生弯折，电极材料很容易脱落下来，脱落下来的电极极有可能会造成电极的短路，而且会大大降低电极的循环寿命。而柔性电极材料的正负极、隔膜都要求是柔性的，可以直接用来制作电极材料。因为无需再额外添加集流体和粘结剂，这在很大程度上降低了电池的整体重量和成本。但是，要达到与目前商品化电池同样的或者可实用的效果，柔性锂离子电池还面对一些挑战，如(1)电极是柔性可弯折的；(2)无需另外添加集流体、粘结剂和导电碳；(3)电极材料需要具有良好的导电性(4)制备工艺要简便、高效。而目前，用于制作柔性电极材料的方法多采用石墨烯或碳纳米管作为支撑主体，其制作工艺复杂、成本较高，而且对主体材料的选择性较大。

为了解决上述难题，找到一种不使用硬质集流体又能有效提高电极材料的导电性的方法十分重要。通过静电纺丝法制备特有的碳纳米纤维骨架可以为主体材料提供很好的导电网络，从而充当集流体作用。尽管目前国内外有关于通过静电纺丝法制备柔性电极的报道，如文献Nano Lett.2016,16,3321-3328中Liu等采用静电纺丝法制备MnFe₂O₄@C纳米纤维柔性电极，并应用于钠离子电池负极材料，但是该柔性材料是采用原位化学法合成的，MnFe₂O₄存在于纳米纤维碳管中，高温处理过程中很容易破坏纳米纤维结构，且合成效率较低，难以工业化应用。文献Scientific Reports.2015,5,9254中Xiong等也采用静电纺丝的方法制备了MoS₂/C柔性薄膜用于钠离子电池负极材料，该文献采用聚丙烯腈(PAN)作为高聚物，合成的一维碳纳米管材料，所使用的纺丝溶剂PAN要求溶剂为二甲基甲酰胺，PAN的非水溶性则要求制备主体材料的原料是可溶于二甲基甲酰胺的，这给原材料的选择造成了很大的限制，对于大批量工业化生产也造成了困难，并且同样是采用原位化学法合成的，MoS₂存在于纳米纤维碳管中，同样具有上述缺陷。南开大学焦丽芳课题组采用静电纺丝的方法合成的N掺杂一维CuCo₂O₄薄膜，然后将其用于二次电池负极材料，其在1000mA g^-1的电流密度下循环1000周仍然有314mA h g^-1的可逆容量，即使在5000mA h g^-1的高电流密度下仍然有296mA h g^-1的可逆容量。但是该柔性材料是采用原位化学法合成的，CuCo₂O₄存在于纳米纤维碳管中，同样具有上述缺陷。

因此，找到一种成本低廉又高效普适的锂离子电池柔性电极材料的制作方法具有重要的研究意义。

发明内容