[发明专利]改性聚吡咯量子点微胶囊溶液及在制备硅电极中的应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术，旨在提供一种改性聚吡咯量子点微胶囊溶液及在制备硅电极中的应用。其制备方法为：氮气氛条件下向β‑环糊精溶液中加入吡咯，超声分散后逐滴加入双氧水，搅匀冷却到室温，得到聚吡咯量子点微胶囊溶液；将其加入硝酸锂水溶液中，搅拌均匀，得到改性聚吡咯量子点微胶囊溶液。本发明通过吡咯‑环糊精包络物形成吡咯微胶囊，在双氧水的作用下形成聚吡咯量子点微胶囊；将其用于制备硅电极时，能原位完成三维聚吡咯量子点网络的构建；既防止了纳米硅团聚，又使纳米硅颗粒与三维聚吡咯量子点网络形成整体，并利用聚吡咯的导电性，改善了硅电极的导电性。在最少添加量下获得隔离纳米硅颗粒的目的，保证硅电极性能和高能量密度。

技术领域

本发明是关于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种改性聚吡咯量子点微胶囊溶液及在制备硅电极中的应用。

背景技术

锂离子电池能量密度高，对环境基本没有污染，是目前应用最广泛的二次电池。传统锂离子电池使用石墨作为负极材料，石墨嵌锂形成LiC₆，比容量仅为372mAh/g；但硅嵌锂形成合金Li_4.4Si，比容量高达4210mAh/g。使用硅电极代替传统石墨电极是锂离子电池突破目前能量密度瓶颈的重要发展方向。然而，硅材料的高容量嵌锂产生体积膨胀，导致硅材料粉化，从电极上脱落，造成活性物质损失，引起导电网络破坏，导致电极容量迅速下降，呈现极差的循环寿命。

研究表明，小粒径的硅或其合金无论在容量上还是在循环性能上都有很大的提高，当合金材料的颗粒达到纳米级时，充放电过程中的嵌锂体积膨胀会大大减轻，性能也会有所提高。但是纳米材料具有较大的表面能，容易发生团聚，反而会使充放电效率降低并加快容量的衰减，从而抵消了纳米颗粒的优点。采用氧化物作为前驱体，在充放电过程中氧化物首先发生还原分解反应，形成纳米尺度的活性金属，并高度分散在无定形Li₂O介质中，从而抑制了体积变化，有效地提高了电极材料的循环性能。但是采用氧化物作为电极材料会由于还原分解反应而使不可逆容量损失较大。采用超细合金及活性/非活性复合合金体系，每个超细合金颗粒在充放电过程中的绝对体积变化较小，有利于材料的结构稳定性。然而超细材料在循环过程中发生剧烈团聚，不足以使电池的性能改善到实用化。利用“缓冲骨架”来补偿材料的膨胀，使其能保持良好的导电性能，可达到稳定纳米硅材料，防止其团聚。

通常硅电极靠粘结剂保持电极形状，防止活性物质从电极脱落，电极中分别使用了隔离材料和粘结剂。粘结剂通常是绝缘体，电极中添加粘结剂固然使电极的力学性能增加，但同时也导致电极的电子导电性下降，造成极大的阻抗，减小电极容量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种改性聚吡咯量子点微胶囊溶液及在制备硅电极中的应用。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种改性聚吡咯量子点微胶囊溶液，是通过下述步骤制备获得的：

(1)取10～50g的β-环糊精，在90℃下溶解于100mL的去离子水中，得到β-环糊精溶液；在氮气氛条件下加入0.90g～30g吡咯，超声振动分散5分钟；然后逐滴加入30wt％的双氧水2mL～10mL，搅拌均匀后冷却到室温，得到聚吡咯量子点微胶囊溶液；

(2)取10mL去离子水溶解1～2g硝酸锂，超声振动分散5分钟；然后加入步骤(1)所得聚吡咯量子点微胶囊溶液，搅拌均匀，得到改性聚吡咯量子点微胶囊溶液。

本发明中，所述超声振动的频率均为40kHz。

本发明进一步提供了一种改性聚吡咯量子点微胶囊，是将前述改性聚吡咯量子点微胶囊溶液进行冷冻干燥处理，得到粉末状的由环糊精包覆的改性聚吡咯量子点微胶囊；如将该改性聚吡咯量子点微胶囊加入去离子水中，经分散后能够重新得到改性聚吡咯量子点微胶囊溶液。

本发明还提供了一种改性聚吡咯量子点微胶囊溶液和改性聚吡咯量子点微胶囊在制备硅电极中应用方法，具体包括：