CN112467063B - 一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体为一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法。本发明的制备方法是：将一定质量比的硅基负极材料、导电剂、粘结剂以及改性添加剂与一定试剂充分混合形成泥浆状物质，改性添加剂为有机小分子，该有机小分子至少含有氨基或羧基官能团的一种，且摩尔质量小于210g/mol；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并分别在50℃‑80℃干燥20min‑60min以及100℃‑140℃真空干燥8h‑20h得到硅基负极极片。本发明所公开的硅基负极极片制备方法具有工艺简单的优点，且所制备的极片组装成电池后，展现出高比容量、良好的首次库伦效率以及优异的循环性能，适用于锂离子动力电池。

Description

一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法。
背景技术
锂离子电池因其优异的储能及供电特性受到广泛关注。目前，锂离子电池在手机、笔记本电脑以及电动工具等对能量密度要求不高的领域的应用已趋近于成熟，但在汽车动力电池等高能量密度要求的领域还有极大的提高空间。因此，具有高理论比容量的硅材料成为研究重点，且常与碳结合使用，如常见的表面包覆有薄碳层的硅以及硅碳复合材料。
与硅/碳材料方面的研究相比，关于硅/碳负极材料极片制备工艺的研究报道相对较少。已知的，如Myung-Hyun Ryou等(Adv.Mater.2013,25,1571)分别开发了一种改性的聚丙烯酸和同样改性了的海藻酸钠粘合剂，与传统聚偏氟乙烯(PVDF)相比，均极大的提高了硅材料的循环稳定性。由此可知，对于硅/碳负极材料极片工艺的制备研究是很有必要的，可对相关电池的电化学性能起到至关重要的作用。
虽然负极材料中硅的理论容量远大于石墨的理论容量，但伴随着巨大的体积变化，其体积膨胀非常高，硅的粉化致使电极结构失稳而失效导致电极结构的崩塌和活性材料剥落而使电极失去电接触，电极的容量随之大幅度下降甚至完全失效，进而使得硅基负极的电化学循环性能差。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备高比容量、良好的首次库伦效率以及优异的循环性能的锂离子电池硅基负极薄膜的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于，将一定质量比的硅基负极材料、导电剂、粘结剂以及特定质量的改性添加剂与一定试剂充分混合形成泥浆状物质，所述改性添加剂为有机小分子，该有机小分子至少含有氨基或羧基官能团的一种且摩尔质量小于210g/mol；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并分别在50℃-80℃(优选60℃)干燥20min-60min(优选35min)以及100℃-140℃(优选120℃)真空干燥8h-20h(优选12h)得到硅基负极极片。
更优的，以硅基负极材料、导电剂与粘结剂三者质量和为总质量，所述硅基负极材料的质量占总质量百分比为70％-97％，所述导电剂的质量占总质量百分比为1.5％-15％，所述粘结剂的质量占总质量百分比为1.5％-15％。
优选地，所述硅基负极材料的质量占总质量百分比为85％-95％，所述导电剂的质量占总质量百分比为2.5％-7.5％，所述粘结剂的质量占总质量百分比为2.5％-7.5％。
更优的，所述硅基负极材料为纯硅，碳包覆硅以及含硅成分的硅碳复合物中的至少一种，优选纯硅。
更优的，所述硅基材料中硅的质量含量为1％-100％，优选90％-100％。
更优的，所述改性添加剂为酪氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸、色氨酸、苯丙炔酸、丙烯酸、丁胺以及二乙胺中的至少一种，优选苯丙氨酸和苯丙炔酸；所述添加剂含量不低于硅基负极极片中硅总质量的0.05％，优选1％-25％。
本发明的导电剂、粘结剂、试剂均采用本领域技术人员公知的材料，如所述导电剂为Super-P、科琴黑、碳纳米管、石墨烯以及碳纤维中的至少一种，优选Super-P；所述粘结剂为海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、亚克力胶以及羧甲基纤维素钠:丁苯胶乳混合物中的一种，优选亚克力胶和羧甲基纤维素钠:丁苯胶乳混合物；所述试剂为水、乙醇、异丙醇以及乙二醇中的至少一种，优选水和乙醇。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1、本发明首次实现了以有机物分子对硅基极片的制备进行改性，可同时提高材料的首次效率和循环稳定性，适用于高能量密度锂离子电池。
2、本发明在制备硅/碳负极材料极片的浆料中加入特殊添加剂，所述的特殊添加剂可以和表面硅原子形成共价键，有效抑制充放电过程中硅的体积膨胀效应，从而稳固材料的电化学循环性能。
3、本发明采用的工艺具有工艺简单、所得结果批次一致性好等优点，易于产业化。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明中，若无特殊限定，所述制备方法中各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
实施例1
按质量比16:2:1:1:2分别称取0.64g纯硅负极材料、0.08g Super-P、0.04g CMC、0.04g SBR以及0.08g酪氨酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥0.5h；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h；最后切片，制备成扣式电池，在300mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例2
按质量比8:1:1:1分别称取0.64g纯硅负极材料、0.08g Super-P、0.08g亚克力胶以及0.08g色氨酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥0.5h；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h；最后切片，制备成扣式电池，在300mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例3
按质量比32:4:4:1分别称取0.64g纯硅负极材料、0.08g Super-P、0.08g海藻酸钠以及0.02g苯丙炔酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥0.5h；接着再放入真空干燥箱内于130℃下干燥12h；最后切片，制备成扣式电池，在300mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例4
按质量比16:2:2:1分别称取0.64g碳包覆硅负极材料(Si含量：～98％)、0.08gSuper-P以及0.08g海藻酸钠以及0.04g苯丙炔酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥35min去除溶剂；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h以保证溶剂完全去除；最后切片，制备成扣式电池，在400mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例5
按质量比8:1:1:1分别称取0.64g碳包覆硅负极材料(Si含量：～98％)、0.08gSuper-P、0.08g亚克力胶以及0.08g色氨酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥35min去除溶剂；接着再放入真空干燥箱内于130℃下干燥12h以保证溶剂完全去除；最后切片，制备成扣式电池，在400mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例6
按质量比16:2:1:1:1分别称取0.64g碳包覆硅负极材料(～Si含量：98％)、0.08gSuper-P、0.04g CMC、0.04g SBR以及0.04g酪氨酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥35min去除溶剂；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h以保证溶剂完全去除；最后切片，制备成扣式电池，在400mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例7
按质量比92:4:2:2:1分别称取0.92g硅碳复合材料(Si含量：～4％)、0.04gSuper-P、0.02g CMC、0.02g SBR以及0.01g天冬氨酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥35min去除溶剂；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h以保证溶剂完全去除；最后切片，制备成扣式电池，在100mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例8
按质量比92:4:2:2:1分别称取0.92g硅碳复合材料(Si含量：～4％)、0.04gSuper-P、0.02g CMC、0.02g SBR以及0.01g酪氨酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥35min去除溶剂；接着再放入真空干燥箱内于110℃下干燥12h以保证溶剂完全去除；最后切片，制备成扣式电池，在100mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例9
按质量比92:4:2:2:1分别称取0.92g硅碳复合材料(Si含量：～4％)、0.04gSuper-P、0.02g CMC、0.02g SBR以及0.01g苯丙炔酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥35min去除溶剂；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h以保证溶剂完全去除；最后切片，制备成扣式电池，在100mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例10
按质量比16:2:1:1:2分别称取0.64g纯硅负极材料、0.08g Super-P、0.04g CMC、0.04g SBR以及0.08g苯丙氨酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥0.5h；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h；最后切片，制备成扣式电池，在300mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例11
按质量比16:2:1:1:4分别称取0.64g纯硅负极材料、0.08g Super-P、0.04g CMC、0.04g SBR以及0.16g丙烯酸，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥0.5h；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h；最后切片，制备成扣式电池，在300mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例12
按质量比16:2:1:1:4分别称取0.64g纯硅负极材料、0.08g Super-P、0.04g CMC、0.04g SBR以及0.16g丁胺，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥0.5h；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h；最后切片，制备成扣式电池，在300mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
实施例13
按质量比16:2:1:1:4分别称取0.64g纯硅负极材料、0.08g Super-P、0.04g CMC、0.04g SBR以及0.16g二乙胺，加入4ml去离子水和2ml无水乙醇后磁力混合搅拌成泥浆状；然后将其均匀涂覆在铜箔表面，并在60℃下干燥0.5h；接着再放入真空干燥箱内于120℃下干燥12h；最后切片，制备成扣式电池，在300mA/g电流密度下进行充放电循环测试。测试结果如表1所示，表明改性后的硅基负极极片的首次库伦效率以及循环性能优于未改性极片。
表1为上述实施例与对比例的充放电性能测试结果，各个对比例是指在与对应实施例相同原料、相同制备工序和反应条件下但未添加有机小分子改性添加剂制备的硅基负极极片。由最终的循环性能结果还可以得出，本发明提供工艺所制备的硅基负极极片具有高比容量和优异的循环稳定性，适用于锂离子动力电池。
表1.各实施例中硅基负极极片和各对比样品的充放电性能测试结果
Figure BDA0002769292470000071
Figure BDA0002769292470000081

Claims (8)

1.一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：将一定质量比的硅基负极材料、导电剂、粘结剂以及特定质量的改性添加剂与一定试剂充分混合形成泥浆状物质，所述改性添加剂为有机小分子，该有机小分子至少含有氨基或羧基官能团的一种，且摩尔质量小于210g/mol；然后将所述泥浆状物质均匀涂覆在铜箔表面，并分别在50℃-80℃干燥20min-60min以及100℃-140℃真空干燥8h-20h得到硅基负极极片；
所述改性添加剂为酪氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸、色氨酸、苯丙炔酸、丙烯酸、丁胺以及二乙胺中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：以所述硅基负极材料、导电剂与粘结剂三者质量和为总质量，所述硅基负极材料质量占总质量百分比为70％-97％，所述导电剂质量占总质量百分比为1.5％-15％，所述粘结剂质量占总质量百分比为1.5％-15％。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：所述硅基负极材料的质量占总质量百分比为85％-95％，所述导电剂的质量占总质量百分比为2.5％-7.5％，所述粘结剂的质量占总质量百分比为2.5％-7.5％。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：所述硅基负极材料为纯硅、碳包覆硅以及含硅成分的硅碳复合物中的至少一种。
5.根据权利要求1或4所述的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：硅基材料中硅的质量含量为1％-100％。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：所述硅基材料中硅的质量含量为90％-100％。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：所述改性添加剂含量不低所述硅基负极极片中硅总质量的0.05％。
8.根据权利要求7所述的一种锂离子电池硅基负极极片的制备方法，其特征在于：所述改性添加剂为苯丙氨酸或苯丙炔酸；所述改性添加剂含量为所述硅基负极极片中硅总质量的1％-25％。
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