[发明专利]一种锂电池硅碳负极片及其制备方法

说明书

本发明涉及锂电池硅碳负极片及制备方法，该负极片具有比容量高、首次充放电效率好以及循环稳定性高等特点；其比容量在450‑700 mAh/g之间，首次库仑效率为83‑88%，充放电倍率为0.2C条件下，100个循环后容量保持率可以达到86‑92%。本发明中的硅碳负极片由涂覆在铜箔上的浆料组成，其中浆料包含硅碳粉体、导电剂和粘结剂；纳米级硅粉或微米级氧化亚硅、石墨和有机裂解碳通过球磨、烧结制成硅碳粉体，导电剂为导电碳黑和碳纳米管，粘结剂为羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶，并加入适量的十二烷基硫酸钠作为添加剂以增强其粘结效果。本发明制备方法简单、原料易得，提高了比容量，并且有效地缓解和抑制了硅材料在充放电过程中的体积膨胀效应，改善了循环稳定性并延长了使用寿命。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂电池硅碳负极片及其制备方法。

背景技术

随着新能源产业的蓬勃发展，尤其是电动汽车的推广使用，人们对锂电池的能量密度、使用寿命以及安全性提出了更高的要求。现有的商业化锂电池大多采用石墨作为负极材料，然而，石墨负极的理论比容量仅为372 mAh/g，且其实际比容量已经非常接近其理论值，进一步提升变得非常困难。与石墨相比，硅具有极高的理论比容量（4200 mAh/g）及较低的电压平台（～0.4V vs Li/Li⁺），是非常有前景的新型负极材料。

但是，硅作为负极材料在完全脱嵌锂过程中，其体积膨胀率可高达300%，极易引起硅颗粒的粉化破碎，甚至从集流体上脱落，这一效应会使硅负极的容量快速衰减，电池寿命大幅缩短，是阻碍硅负极材料商业化的最大问题；硅材料的另一特点是导电性差，导致倍率性能低，首次库仑效率低。制作多孔硅或者纳米硅可以较好地缓解硅的体积膨胀问题，然而，纳米材料的尺寸效应也会大大降低了负极材料的压实密度和体积比容量等，这种方法也往往工艺复杂，成本较高，不适合大规模生产。另一种常见方法是将石墨和硅粉按一定比例混合，利用石墨体积膨胀率低（10%）、导电性好的特点来缓冲硅粉的体积膨胀，提高负极的导电性，但是限于混合效果、粘结剂、导电剂等多种因素，提升效果有限。

综上所述，如何提供一种适合大规模生产，同时能有效提升硅基负极材料的循环稳定性、倍率性并保持较高比容量的方法，是当下锂电池负极材料的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂电池硅碳负极片及其制备方法，以减少常规的硅基负极材料因体积膨胀率过大而易粉化的问题，从而延长电池的使用寿命，并兼有较高的首次库仑效率和比容量。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

一种锂电池硅碳负极片，其特征在于，所述硅碳负极片由涂覆浆料的铜箔构成，硅碳负极片涂覆浆料的厚度为65-85um，活性材料负载量为6.5 mg/cm²-8.5mg/cm²；所述的浆料包含硅碳粉体、粘结剂和导电剂，按质量百分比，硅碳粉体、粘结剂与导电剂的比例为88%-92% ：4%-6% ：4%-6%；

其中，所述硅碳粉体包含硅材料、石墨和有机裂解碳，压实密度为1-1.3 g/cm³；所述粘结剂包含羧甲基纤维素钠（CMC）、丁苯橡胶（SBR）以及添加剂十二烷基硫酸钠（SDS）；所述导电剂包含导电碳黑和碳纳米管；

所述的硅碳负极片，在半电池0.2C条件下克容量发挥为450mAh/g-700 mAh/g, 首次库仑效率为83%-88%，循环100次后容量保持率为86%-92%。

所述硅材料为纳米级硅粉、微米级氧化亚硅，或者两者的混合物；其中硅粉的粒径为30-70 nm、氧化亚硅的粒径为3-7um。

所述有机裂解碳通过添加沥青作为有机碳前驱体，与石墨、硅材料通过球磨进行充分混合之后再经过高温裂解得到。

所述硅材料与沥青、石墨的质量百分比为8%-12% ：5%-10% ：78%-87%。