[发明专利]一种界面稳定的化学偶联硅-导电高分子复合电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种界面稳定的化学偶联硅‑导电高分子复合电极及其制备方法，复合电极包括电极片，所述电极片上涂覆有交联导电聚合物粘结剂‑硅电极，所述交联导电聚合物粘结剂‑硅电极由以下原料组成：硅活性材料、PEDOT:PSS和硅烷偶联剂。本发明硅烷偶联剂的引入改善了不亲水的硅材料与导电高分子水溶液之间的界面相容性，使其更容易形成均一的浆料，利用简单原料制备出高性能电极，方法简单，设计巧妙，所制备的交联导电聚合物粘结剂电极得到很好的倍率性能和长循环稳定性，具有很高的实际应用前景。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种界面稳定的化学偶联硅-导电高分子复合电极及其制备方法。

背景技术

硅材料，由于其高的理论储锂容量(4200mAh g-1)已经被研究了几十年。但是，由于硅在脱嵌锂过程中高于300％的体积变化，会引起活性材料粉化从集流体上脱落，因此硅负极的比容量在循环过程中会发生衰减。针对这个问题，研究者开发了纳米硅材料，如纳米颗粒，纳米线，核-壳结构和多孔结构等。目前纳米硅已经实现了工业化生产，材料的成本也降低了很多。纳米硅材料的应用大大提高了硅负极的循环稳定性。

在另一方面，负极的强还原性会导致电解液还原分解，而在负极表面形成固体电解液界面，俗称SEI膜(solid-electrolyte interphase)，致密的SEI膜的形成可以避免负极材料和电解液的直接接触，但是，硅材料的体积膨胀问题同样会引起SEI膜破坏和反复生成，在这个过程中，电解液和锂离子被不可逆地消耗，导致库伦效率和循环稳定性下降。在实验室的研究中，通常以锂金属作为对电极设计半电池测试系统并采用过量的电解液，因此电解液的持续消耗问题通常被忽略。SEI膜的重复生成和电解液的不可逆消耗，电解液的持续消耗会进一步引起电池容量突然下降(或跳水)。

发明内容

本发明的目的就是为了解决硅材料作为电极材料使用过程因体积膨胀问题引起SEI膜破坏和反复生成，导致电解液和锂离子被不可逆地消耗，导致电极材料库伦效率和循环稳定性下降，引起电池容量突然下降的问题，而提供一种界面稳定的化学偶联硅-导电高分子复合电极，以抑制SEI膜的重复生成与电解液的持续消耗，提高电池的循环稳定性和高倍率性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种界面稳定的化学偶联硅-导电高分子复合电极，包括电极片，所述电极片上涂覆有交联导电聚合物粘结剂-硅电极，所述交联导电聚合物粘结剂-硅电极由以下原料组成：硅活性材料、PEDOT:PSS和硅烷偶联剂。

交联导电聚合物粘结剂同时作为粘结剂和导电添加剂，保证了硅材料在循环过程中的导电接触。本发明中，选用硅烷偶联剂作为交联剂，一方面与线形导电高分子交联形成空间网络结构，可有效的缓解硅在循环过程中巨大的体积变化；另一方面，硅烷偶联剂可以同时与硅材料和粘结剂发生反应生成稳定的共价键，提高了硅材料与粘结剂之间的相互作用力。硅烷偶联剂的引入还大大改善了不亲水的硅材料与导电高分子水溶液之间的界面相容性，使得其更容易形成均一的浆料，所制备的复合电极得到很好的倍率性能和长循环稳定性，有很高的实际应用前景。

优选地，交联导电聚合物粘结剂-硅电极中，所述硅活性材料、PEDOT:PSS和硅烷偶联剂的质量比为80:20:5-20。

优选地，所述PEDOT:PSS为PEDOT:PSS水溶液，PEDOT:PSS的含量为1-2wt％。

优选地，所述的硅烷偶联剂为氨基硅烷、环氧硅烷、乙烯基硅烷、酰氧基硅烷或含氯硅烷中的一种或两种以上混合物。

优选地，所述的硅活性材料为含硅化合物，选自微米硅、纳米硅、倍半硅氧烷、二氧化硅或一氧化硅中的一种或两种以上的混合物。

优选地，该复合电极是以PEDOT:PSS链状结构为骨架，硅烷偶联剂与链状结构交联形成三维网络结构，硅烷偶联剂和硅活性材料之间形成稳定的共价键。