[发明专利]一种用于锂离子电池的一体化电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池的一体化电极及其制备方法，其步骤包括：以三维结构的纤维素作为前驱体，对其进行预氧化；将经预氧化处理得到的纤维素基碳纤维结构与碱或碱金属盐的水溶液复合得到复合结构；将该复合结构在保护性气氛下进行温度梯度分步活化热解，并对得到的样品进行洗涤及干燥得到三维结构体；将得到的三维结构体与锂离子电池活性材料进行复合得到所述一体化电极。本发明可根据锂离子电池能量密度和充放电需求来调节电极中碳纤维上的孔道结构、导电性、柔韧性强度，有效解决了一体化纤维素基碳纤维表面孔道与导电性不能协调调控、柔性差、强度低等问题，并为高能量密度锂离子电池的快速充放电需求提供一种新的解决途径。

技术领域

本发明涉及电池电极制造技术领域，具体涉及一种柔性、高导电、多孔、尺寸可控的纤维素基碳纤维一体化锂离子电池电极及其制备方法。此外，本发明还涉及了所述一体化电极在高能量密度快充锂离子电池中的应用。

背景技术

各国对新能源汽车尤其是纯电动汽车的需求日益增长。但是，当下纯电动汽车的电池能量密度较低、快速充放电能力不足，导致汽车续航时间和续航里程难以与传统燃油汽车相媲美。因此，如何大幅提高纯电动汽车的电池能量密度，延长电动汽车的续航里程，加快电动汽车的充电速度，即缩短充电时间增加充电效率，发展既具备高能量密度、低成本、长循环寿命又能够快速充电的新型二次电池，是解决新能源汽车快速发展的关键问题。

目前，一般商用的锂离子电池结构是将正极材料如镍钴锰三元正极材料，磷酸铁锂与导电添加剂以及粘结剂混合形成浆料，涂覆于铝箔表面进一步与负极石墨组装成电池。为了提高电池整体的能量密度，取代铝箔金属集流体是一个很好的研究思路。例如，专利CN103682368B中公开了使用三维石墨烯连通网络结构为电极，活性物质内嵌在三维石墨烯泡沫表面，得到一体化电极。但是，由于三维石墨烯泡沫的制备过程中需要以泡沫镍等金属作为基体，通过对气氛的精准控制实现石墨烯在基体的沉积，后续需要将金属基体溶解等复杂操作，导致实现三维石墨烯泡沫结构成本高，工艺复杂，因此不适合作为锂离子电池电极进行大规模应用。与之类似，专利申请CN112514107A中公开了一种包含三维杂原子掺杂碳纳米管宏观材料的电极用于二次电池，研究人员利用碳纳米管宏观结构的多孔以及导电网络，来实现快速的电子以及离子传导实现高的能量密度。但是，其同样面临着碳纳米管三维宏观结构制备过程复杂，受限于收集制备装置尺寸等问题，很难满足大规模的应用制备。专利CN104810506B中公开了一种高能量密度的锂离子电池，其通过硅碳负极来替代传统的石墨负极以期待降低整体电池质量来提高能量密度。但是，硅碳负极由于循环过程中的体积膨胀等问题，导致了其循环性能较差，也阻碍了其商用化发展。除了上述方法，CN111029670B公开了一种锂离子电池快充方法，通过设计电池快充程序，分阶段控制充电过程；CN111293375A公开了一种电动汽车电池快充温度控制方法，通过选择提前预热或制冷电池，以将电池温度控制在最佳充电区间，进而实现快速充放电的效果。

综上，现有方法中，基于高成本的纳米碳材料复合技术，可以实现高导电，多孔的复合导电网络电极来实现高能量可充放电的锂离子电池结构，但是，由于高成本以及复杂的制备工艺限制了该方向的发展。同时，在充放电过程中所进行的通过后续参数控制来实现快速充放电的方法，并不能从根本上解决电极内部结构的缺陷，从而满足锂离子电池高能量以及快速充放电的特性。因此，有必要设计一种低成本、高性能、可大规模制备且能够快速充放电的电极结构，这对推动新能源电动汽车快速发展有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可用于高能量密度快速充放电锂离子电池的一体化电极及其制备方法，该一体化电极由纤维素基碳纤维网络复合活性物质组成，纤维素基碳纤维网络的孔道结构、导电性、柔韧性强度可根据需要进行调节。该一体化电极具有成本低、可大规模制备、以及既具有高能量密度又能大电流快速充放电的特性，能满足新能源市场对低成本、高性能电极的需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于锂离子电池的一体化电极的制备方法，其包括以下制备步骤：