[发明专利]一种结构稳定型锂电池复合电极粉体材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种结构稳定型锂电池复合电极粉体材料的制备方法，属于新能源材料技术领域。本发明先将预处理氧化石墨烯分散液、三聚氰胺溶液和改性明胶分散液反应制得干凝胶，并将干凝胶粉碎过筛，得凝胶碎料，随后将凝胶碎料和硅酸酯稀释液、三甲基铝以及油酸加热回流反应，制得一次负载凝胶碎料，再将其与银氨溶液混合反应，随后用水合肼还原，制得还原料，最终控制不同升温速率和加工温度，使还原料高温反应，制得产品结构稳定型锂电池复合电极粉体材料。本发明所得产品在使用过程中结构稳定，有效避免体积膨胀引起的性能下降，使产品的使用寿命、使用安全性以及循环稳定型得到有效提升，对新能源领域的发展形成推动作用。

技术领域

本发明公开了一种结构稳定型锂电池复合电极粉体材料的制备方法，属于新能源材料技术领域。

背景技术

锂离子电池一般由四大部分组成：正极、负极、电解液和隔膜。其中，隔膜把电池正负极分隔开，防止正负极直接接触而短路。同时，隔膜还具有通过电解质离子的作用。聚烯径是最常用的隔膜材料，目前商品化锂电池隔膜材料主要采用聚乙稀、聚丙稀微孔膜。电解液是锂电池中离子传输的载体。一般由有机溶剂和锂盐组成。其中常用的锂盐为LiPF₆、LiClO₄、LiBF₄等，常用有机溶剂为碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等一种或几种有机溶剂的混合物。

由于几次剧烈的电池安全事故，金属锂片作为负极材料很快被清除出市场。这一问题普遍出现在金属锂片电池反应过程中，有机电解质盐溶解，反应产生不均一的碳酸烧基酷纯化薄膜附在负极表面。这层薄膜只可以透过锂离子，但是，它不能阻止电极与电解质盐的进一步反应分解。因此，经过多次电池充放电循环，分解产生的沉积物累积在金属锂片上，导致了金属锂片树枝晶的生长。对金属锂片和硅反应的电化学研究高温下的锂片硫化物，发现在400-500℃的高温下，金属锂和硅合金化形成不同锂硅合金。硅的对锂电位约为0.2V电压平台略高于石墨，在充放电过程中，不易形成锂枝晶，故其安全性能优于石墨。同时其高的比容量也使得其能量密度较高，被认为是锂离子电池负极材料很有希望的替代品。

硅也存在一些问题，如在合金化过程中产生巨大的体积效应较低的电导率；与常规电解液的不相容性等。造成锂硅电池容量衰减迅速的原因是：在硅单质嵌锂进行合金化过程中，随着嵌锂量的不断增大，硅基体体积不断膨胀直至最终形成锂硅合金。接着，在脱锂的过程中，硅基体体积不断收缩。膨胀收缩的模式重复运作，导致电极的分解和破裂，使得电极失去和活性物质之间的连接，最终造成锂电池容量的不可逆损失和循环过程中的大量衰减。

制备硅纳米线生长直接在集流体，经过几次的充电和放电周期，拆开电池，发现纳米线电极材料没有碎片或粉成小颗粒。纳米线的直径和长度的位置不被破坏且容易释放机械应力在结构上和集流体上，电子可以有效的通过从集流体到纳米线，沿着长度方向和纳米线上流动，显示出短的嵌锂距离。与此同时，纳米阵列之间渗透出的电解液也缩短了锂离子扩散的路径。用Al₂O₃为基底，通过硅前驱体的分解还原制备出硅纳米管。硅纳米管锂离子脱嵌入时，轴向变异相对较小，管状形态适合调节大量的体积变化，提高稳定性和可逆容量能力，有巨大的潜在优势。用溶剂热方法制备得到了硅纳米空心球，研究其作为锂离子电池负极的电化学性能。实验结果显示，硅纳米空心球形貌均匀，首次放电容量为3952mAh·g^-1，大电流密度下循环多次，仍然保持高的可逆容量。这个空心结构纳米晶体硅有效缓冲体积变化同时，活动也增加了锂离子反应，缩短锂离子的扩散路径，使它有一个高容量和良好的性能。