[发明专利]一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池

说明书

本发明提供一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池，方法包括以下步骤：将阵列排布的可纺碳纳米管采用阵列拉膜的同时依次浸入酸溶液和硅基纳米材料分散液中，再喷洒聚合物分散液，加捻，收集，得到无集流体硅基负极。本发明以阵列碳纳米管膜为基底，通过界面自组装方法将活性硅基纳米材料均匀地负载在碳纳米管搭接形成的孔隙间，有利于提高负极的克容量。加捻后的碳纳米管三维网状结构可以有效缓解硅的膨胀，而且避免了集流体的使用，从而显著提高了锂离子电池的能量密度和循环性能，无集流体硅基负极的克容量为987～2753mAh/g；电池的能量密度为380～420Wh/Kg，电池循环200次后，容量保持率为73～93％。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池。

背景技术

随着社会经济的发展，纺织电池在便携式和可穿戴电子产品中得到广泛应用，目前主流的方向是制造纤维锂离子电池，其直径可达数十至数百微米，因此它们可以很容易地编织到可穿戴和透气的纺织品中，从而满足各种可穿戴电子产品的电力需求。

负极常用集流体为铜导线，负载的活性物质通常为石墨、硬碳和硅基材料等。使用石墨(克容量370mAh/g)作为活性物质时，由于石墨较低的克容量，且集流体会占据一部分的体积和质量，导致电池的能量密度较低；使用硅(克容量3600mAh/g)及硅基材料作为活性物质时，由于硅材料充放电过程中体积膨胀过大，导致电池的循环性能恶劣。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无集流体硅基负极的制备方法及纤维锂离子电池，该硅基负极无需使用集流体，能够有效提高锂离子电池的能量密度。

本发明提供了一种无集流体硅基负极的制备方法，包括以下步骤：

将阵列排布的可纺碳纳米管采用阵列拉膜的同时依次浸入酸溶液和硅基纳米材料分散液中，再喷洒聚合物分散液，加捻，收集，得到无集流体硅基负极；

所述酸溶液为体积比2.5～3.2:1的浓硫酸和浓硝酸的混合液；

所述硅基纳米材料分散液中硅纳米材料选自硅、氧化硅、硅合金和硅基材料中的一种或多种；

所述聚合物分散液中的聚合物为聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、丁苯橡胶、聚乙烯和聚丙烯中的一种或多种。

在本发明中，所述酸溶液为体积比3:1的浓硫酸和浓硝酸的混合液。

在本发明中，所述硅基纳米材料分散液的浓度为0.01～5wt％。

在本发明中，所述聚合物分散液的浓度为0.01～6wt％。

在本发明中，所述硅基纳米材料的直径为5～50nm。具体实施例中，所述硅基纳米材料分散液选自粒径10nm、浓度为2wt％纳米氧化硅分散液；或粒径15nm、浓度为0.8wt％纳米硅分散液；或粒径20nm、浓度为1.0wt％纳米硅铁合金分散液；或粒径5nm、浓度为4wt％纳米硅分散液；或粒径5nm、浓度为2wt％纳米硅分散液。

在本发明中，所述阵列排布的可纺碳纳米管的阵列宽度为5～300mm。具体实施例中，宽度为50mm、40mm、100mm或70mm。

在本发明中，所述硅纳米材料分散液中分散剂选自阳离子表面活性剂；

所述阳离子表面活性剂选自胺盐类、杂环类和啰盐类中的一种或多种；

所述硅基纳米材料分散液中溶剂选自乙醇。

在本发明中，所述聚合物分散液中溶剂选自水或易挥发的有机溶剂。

在本发明中，所述加捻的电机转速为50～200rpm。具体实施例中，所述加捻的电机转速为50rpm、80rpm、60rpm或100rpm。