CN112531144A - 制备包含天然碳质细丝的硅基电极的方法和利用其的电池组电池 - Google Patents

制备包含天然碳质细丝的硅基电极的方法和利用其的电池组电池 Download PDF

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Abstract

制备电极的方法包括用浆料涂覆集流体以形成涂覆的集流体。所述浆料包含干部分和一种或多种溶剂，所述干部分包含硅颗粒、聚合物粘合剂和一种或多种天然碳质细丝。热处理涂覆的集流体，以产生具有硅基主体材料层的电极。所述一种或多种天然碳质细丝可包括动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖，并可具有约1微米至约50微米的平均长度和约1纳米至约500纳米的平均直径。干部分可包含5 wt%至95 wt%的硅颗粒、0.1 wt%至15 wt%的聚合物粘合剂和1 wt%至20 wt%的天然碳质细丝。所述方法可包括通过将所述电极和正极放置在电解质中来组装电池组电池。

Description

制备包含天然碳质细丝的硅基电极的方法和利用其的电池组 电池
背景技术
锂离子电池组描述了一类可充电电池组，其中锂离子在负极（即阳极）和正极（即阴极）之间移动。液体、固体和聚合物电解质可以促进锂离子在阳极和阴极之间的移动。锂离子电池组由于其高能量密度和能够经受连续充放电循环的能力，在国防、汽车和航空航天领域的应用越来越受欢迎。
发明内容
提供了制备电极的方法，该方法可以包括用浆料涂覆集流体以形成涂覆的集流体，以及热处理涂覆的集流体以产生包含硅基主体材料层的电极。浆料可以包含一种或多种溶剂和干部分（dry fraction），所述干部分包含硅颗粒、一种或多种聚合物粘合剂和一种或多种天然碳质细丝。所述一种或多种天然碳质细丝可包括动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖。所述一种或多种天然碳质细丝可选自仅由动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖组成的组。所述一种或多种天然碳质细丝可以具有约1微米至约50微米的平均长度和约1纳米至约500纳米的平均直径。硅基主体材料中存在的碳只能由来自所述一种或多种聚合物粘合剂和所述一种或多种天然碳质细丝的碳和任选地由集流体贡献的碳组成。干部分可以进一步包含导电碳。干部分可包含至多约10 wt%的导电碳。干部分可以进一步包含一种或多种合成碳质细丝。所述一种或多种合成碳质细丝可包括尼龙、改性腈纶（modacrylic）、烯烃、丙烯酸化合物、聚酯、人造丝（rayon）、维荣（vinyon）、聚乙烯、聚醚聚脲共聚物、维尼纶（vinalon）、芳纶、聚苯并咪唑、聚乳酸、聚对苯二酚-二咪唑并吡啶、热固性液晶聚噁唑、芳香族聚酯和德克罗恩（derclon）。干部分可包含约5 wt%至约95 wt%的硅颗粒、约0.1 wt%至约15 wt%的聚合物粘合剂和约1 wt%至约20wt%的天然碳质细丝。热处理可包括将涂覆的集流体加热到约250℃至约1200℃的温度。热处理可在基本上不含含氧气体（oxygenated gase）的气氛中进行。
提供了制备电池组电池的方法，该方法可以包括用浆料涂覆集流体以形成涂覆的集流体，在基本上不含含氧气体的气氛中热处理涂覆的集流体以产生具有硅基主体材料层的负极，随后通过将负极和正极放置在电解质中来组装电池组电池。浆料可以包含一种或多种溶剂和干部分，所述干部分包含硅颗粒、一种或多种聚合物粘合剂和一种或多种天然碳质细丝，其中所述一种或多种天然碳质细丝具有约1微米至约50微米的平均长度和约1纳米至约500纳米的平均直径。硅基主体材料层的厚度可以为约20微米到约50微米。所述一种或多种天然碳质细丝可以包括动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖。所述一种或多种天然碳质细丝可选自仅由动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖组成的组。硅基主体材料中存在的碳只能由来自所述一种或多种聚合物粘合剂和所述一种或多种天然碳质细丝的碳和任选地由集流体贡献的碳组成。干部分可包含约5 wt%至约95 wt%的硅颗粒、约0.1 wt%至约15 wt%的聚合物粘合剂和约1 wt%至约20 wt%的天然碳质细丝。干部分可以进一步包含导电碳。干部分可包含至多约10 wt%的导电碳。
具体地说，本发明涉及以下项。
1. 一种制备电极的方法，所述方法包括：
用浆料涂覆集流体以形成涂覆的集流体，其中所述浆料包含：
干部分，所述干部分包含：
硅颗粒，
一种或多种聚合物粘合剂，和
一种或多种天然碳质细丝，和
一种或多种溶剂；以及
热处理涂覆的集流体以产生包含硅基主体材料层的电极。
2. 第1项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝包括动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖。
3. 第1项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝选自由动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖组成的组。
4. 第1项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝具有约1微米至约50微米的平均长度和约1纳米至约500纳米的平均直径。
5. 第1项所述的方法，其中硅基主体材料中存在的碳由来自所述一种或多种聚合物粘合剂和所述一种或多种天然碳质细丝的碳和任选地由集流体贡献的碳组成。
6. 第1项所述的方法，其中干部分进一步包含导电碳。
7. 第6项所述的方法，其中干部分包含至多约10 wt%的导电碳。
8. 第1项所述的方法，其中干部分进一步包含一种或多种合成碳质细丝。
9. 第8项所述的方法，其中所述一种或多种合成碳质细丝包括尼龙、改性腈纶、烯烃、丙烯酸化合物、聚酯、人造丝、维荣、聚乙烯、聚醚聚脲共聚物、维尼纶、芳纶、聚苯并咪唑、聚乳酸、聚对苯二酚-二咪唑并吡啶、热固性液晶聚噁唑、芳香族聚酯和德克罗恩。
10. 第1项所述的方法，其中干部分包含约5 wt%至约95 wt%的硅颗粒、约0.1 wt%至约15 wt%的聚合物粘合剂和约1 wt%至约20 wt%的天然碳质细丝。
11. 第1项所述的方法，其中热处理包括将涂覆的集流体加热到约250℃至约1200℃的温度。
12. 第11项所述的方法，其中热处理在基本上不含含氧气体的气氛中进行。
13. 一种制备电池组电池的方法，该方法包括：
用浆料涂覆集流体以形成涂覆的集流体，其中所述浆料包含：
干部分，所述干部分包含：
硅颗粒，
一种或多种聚合物粘合剂，和
一种或多种天然碳质细丝，其中所述一种或多种天然碳质细丝具有约1微米至约50微米的平均长度和约1纳米至约500纳米的平均直径，和
一种或多种溶剂，以及
在基本上不含含氧气体的气氛中热处理涂覆的集流体，以产生包含硅基主体材料层的负极，以及
随后通过将所述负极和正极放置在电解质中来组装电池组电池。
14. 第13项所述的方法，其中硅基主体材料层的厚度为约20微米到约50微米。
15. 第13项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝包括动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖。
16. 第13项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝选自由动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖组成的组。
17. 第13项所述的方法，其中硅基主体材料中存在的碳由来自所述一种或多种聚合物粘合剂和所述一种或多种天然碳质细丝的碳和任选地由集流体贡献的碳组成。
18. 第13项所述的方法，其中干部分包含约5 wt%至约95 wt%的硅颗粒、约0.1wt%至约15 wt%的聚合物粘合剂和约1 wt%至约20 wt%的天然碳质细丝。
19. 第13项所述的方法，其中干部分进一步包含导电碳。
20. 第13项所述的方法，其中干部分包含至多约10 wt%的导电碳。
从下面对示例性实施方案和附图的详细描述，示例性实施方案的其它目的、优点和新颖特征将变得更显而易见。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施方案的锂电池组电池；
图2示出了根据一个或多个实施方案的混合动力电动车辆的示意图；
图3示出了根据一个或多个实施方案的用于制备电极和利用其的电池组的方法；
图4示出了根据一个或多个实施方案的经热处理的电极的示意性横截面侧视图。
具体实施方式
本文描述了本发明的实施方案。然而，应当理解，所公开的实施方案仅是示例，并且其它实施方案可采取不同的和替代的形式。附图不必按比例绘制；有些特征可以放大或缩小，以显示特定部件的细节。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为教导本领域技术人员不同地使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任何一幅附图所示和描述的各种特征可以与一幅或多幅其它附图中所示的特征相结合，以产生未明确示出或描述的实施方案。所示特征的结合提供了用于典型应用的代表性实施方案。然而，对特定的应用或实践，可以期望与本公开的教导相一致的特征的各种结合和修改。
本文提供了用于制备包含硅基主体材料的电极和电池组电池的方法。这些方法提供了具有高机械强度，在第一个形成循环期间不可逆容量损失最小，并且在更长循环期间具有改善的容量保持度的高容量电极。硅基主体材料包含经热处理的天然碳质细丝，其构成机械强健并且导电的基质，其中硅颗粒可以膨胀和收缩而不会损害电极和电池组电池的物理完整性。
图1示出了锂电池组电池10，其包含负极（即阳极）11、正极（即阴极）14、操作地设置在阳极11和阴极14之间的电解质17和隔膜18。阳极11、阴极14和电解质17可以封装在容器19中，容器19可以是例如硬（例如，金属）壳或软（例如，聚合物）袋。阳极11和阴极14位于隔膜18的相对侧，所述隔膜18可以包含微孔聚合物或其它能够传导锂离子和任选电解质（即液体电解质）的合适材料。电解质17是包含溶解在非水溶剂中的一种或多种锂盐的液体电解质。阳极11通常包含集流体12和施加在其上的锂插层主体材料13。阴极14通常包含集流体15和施加于其上的基于锂的或基于硫属元素的活性材料16。例如，如下文所述，电池组电池10可包含硫属元素活性材料16或锂金属氧化物活性材料16等。例如，活性材料16可以以比插层主体材料13更高的电势存储锂离子。与这两个电极相连的集流体12和15通过可中断的外部电路连接，该外部电路允许电流在电极之间通过以电平衡锂离子的相关迁移。尽管为了清楚起见，图1示意性地示出了主体材料13和活性材料16，但是主体材料13和活性材料16可以包括在阳极11和阴极14各自与电解质17之间的排他界面。
电池组电池10可用于多种应用。例如，图2示出了包含电池包20和相关部件的混合电动或电动车辆1的示意图。电池包（如电池包20）可以包括多个电池组电池10。例如，多个电池组电池10可以并联连接以形成组，并且多个组可以串联连接。本领域技术人员将理解，利用本文公开的电池组电池架构，任何数量的电池组电池连接配置都是可行的，并且将进一步认识到车辆应用不限于所描述的车辆架构。电池包20可以向牵引逆变器2提供能量，牵引逆变器2将直流（DC）电池电压转换为三相交流（AC）信号，其被驱动马达3用来通过一个或多个车轮（未示出）推动车辆1。任选的发动机5可用来驱动发电机4，而发电机4又可提供能量以通过逆变器2为电池包20充电。在一些实施方案中，驱动马达3和发电机4包括单个装置（即电动机/发电机）。外部（例如，电网）能量也可用于通过附加电路（未示出）为电池包20充电。例如，发动机5可以包括汽油或柴油发动机。
电池组电池10通常通过使锂离子在阳极11和阴极14之间可逆地通过来工作。锂离子在充电时从阴极14移动到阳极11，而在放电时从阳极11移动到阴极14。在放电开始时，阳极11含有高浓度的插层/合金化锂离子，而阴极14相对耗尽，并且在这种情况下，在阳极11和阴极14之间建立闭合的外部电路导致从阳极11提取出插层/合金化锂离子。提取出的锂原子在电极-电解质界面处离开插层/合金化主体的同时***成锂离子和电子。锂离子被离子导电电解质17携带通过隔膜18的微孔从阳极11到达阴极14，而与此同时电子被传输通过外部电路从阳极11到达阴极14，以平衡整个电化学电池。电子通过外部电路的这种流动可以被利用并输送到负载装置，直到负极中的插层/合金化锂的水平下降到低于可操作的水平或对电源的需求停止。
电池组电池10可在其可用容量部分或全部放电后再充电。为了给锂离子电池组电池充电或重新供电，将外部电源（未显示）连接到正极和负极，以驱动电池的放电电化学反应的逆转。也就是说，在充电期间，外部电源提取阴极14中存在的锂离子以产生锂离子和电子。锂离子被电解质溶液携带返回通过隔膜，而电子被驱动返回通过外部电路，两者都移向阳极11。锂离子和电子最终在负极重新结合，从而为其补充插层/合金化锂，用于未来的电池组电池放电。
锂离子电池组电池10，或包括多个串联和/或并联连接的电池组电池10的电池模块或电池包，可被用于可逆地向相关负载设备提供电力和能量。锂离子电池组还可用于各种消费电子设备（如笔记本电脑、照相机和蜂窝/智能电话）、军用电子设备（如无线电、地雷探测器和热武器）、航空器和卫星等。锂离子电池、电池模块和电池包可并入车辆，例如混合动力电动车辆（HEV）、电池电动车辆（BEV）、插电式HEV或增程式电动车辆（EREV），以产生足够的电力和能量来操作车辆的一个或多个***。例如，电池组电池、电池模块和电池包可与汽油或柴油内燃机结合使用以推动车辆（例如在混合动力电动车辆中），或可单独用于推动车辆（例如在电池驱动车辆中）。
回到图1，例如在电池组电池10的充电或放电期间，电解质17在阳极11和阴极14之间传导锂离子。电解质17包含一种或多种溶剂，以及溶解在所述一种或多种溶剂中的一种或多种锂盐。合适的溶剂可包括环状碳酸酯（碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯）、非环碳酸酯（碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲酯）、脂肪族羧酸酯（甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯）、γ-内酯（γ-丁内酯、γ-戊内酯），链结构醚（1,3-二甲氧基丙烷、1,2-二甲氧基乙烷（DME）、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷）、环醚（四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧戊环）及其组合。可溶解于所述有机溶剂中以形成非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括LiClO4、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2、LiPF6及其混合物。
在一个实施方案中，微孔聚合物隔膜18可包含聚烯烃。聚烯烃可以是均聚物（从单种单体成分衍生）或杂聚物（从多种单体成分衍生），可以是直链或支链的。如果使用由两种单体成分衍生的杂聚物，则聚烯烃可呈现任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的链排列。如果聚烯烃是由大于两种单体成分衍生的杂聚物，情况也是如此。在一个实施方案中，聚烯烃可以是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或PE和PP的共混物。微孔聚合物隔膜18还可以包含除聚烯烃之外的其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）和/或聚酰胺（尼龙）。隔膜18可以任选地使用材料进行陶瓷涂覆，所述材料包括一种或多种陶瓷型铝氧化物（例如Al2O3）和锂化的沸石型氧化物等。锂化的沸石型氧化物可以提高锂离子电池（如电池组电池10）的安全性和循环寿命性能。本领域技术人员无疑将知道和理解可由其来制备微孔聚合物隔膜18的许多可用聚合物和商业产品，以及可用于生产微孔聚合物隔膜18的许多制造方法。
活性材料16可以包含任何基于锂的活性材料，其足以经受锂的插层和脱层，同时起到用作电池组电池10的正极端的功能。活性材料16还可以包含聚合物粘合剂材料，以在结构上将基于锂的活性材料保持在一起。活性材料16可包含锂过渡金属氧化物（例如，层状锂过渡金属氧化物）或硫属元素材料。阴极集流体15可以包含铝或本领域技术人员已知的任何其它适当导电材料，并且可以形成箔状或网格状。阴极集流体15可以用高导电材料处理（例如涂覆），所述高导电材料包括导电炭黑、石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和气相生长碳纤维（VGCF）等中的一种或多种。相同的高导电材料可以额外地或替代地分散在主体材料13中。
适合用作活性材料16的锂过渡金属氧化物可包括尖晶石锂锰氧化物（LiMn2O4）、锂钴氧化物（LiCoO2）、镍锰氧化物尖晶石（Li(Ni0.5Mn1.5)O2）、层状镍锰钴氧化物（具有通式xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，其中M由任何比例的镍、锰和/或钴组成）中的一种或多种。层状镍锰氧化物尖晶石的一个具体实例是xLi2MnO3·(1−x)Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2。其它合适的基于锂的活性材料包括Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2)、LiNiO2、Lix+yMn2-yO4（LMO，0<x<1和0<y<0.1）或锂铁多阴离子氧化物，例如磷酸铁锂（LiFePO4）或氟磷酸铁锂（Li2FePO4F）。也可以使用其它基于锂的活性材料，例如LiNixM1-xO2（M由任何比例的Al、Co和/或Mg组成）、LiNi1-xCo1-yMnx+yO2 或LiMn1.5-xNi0.5-yMx+yO4（M由任何比例的Al、Ti、Cr和/或Mg组成）、稳定的锂锰氧化物尖晶石（LixMn2-yMyO4，其中M由任何比例的Al、Ti、Cr和/或Mg组成），锂镍钴铝氧化物（例如，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2或NCA）、铝稳定的锂锰氧化物尖晶石（LixMn2-xAlyO4）、锂钒氧化物（LiV2O5）、Li2MSiO4（M由任何比例的Co、Fe和/或Mn组成）和任何其它高效镍锰钴材料（HE-NMC、NMC或LiNiMnCoO2）。“任何比例”是指任何元素都可以以任何量存在。例如，M可以是Al，有或没有Co和/或Mg，或者所列元素的任何其它组合。在另一实例中，可在基于锂过渡金属的活性材料的任何实例的晶格中进行阴离子取代以稳定晶体结构。例如，任何O原子都可以被F原子取代。
例如，基于硫属元素的活性材料可以包括一种或多种硫和/或一种或多种硒材料。适于用作活性材料16的硫材料可包括硫碳复合材料、S8、Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S2、Li2S、SnS2及其组合。基于硫的活性材料的另一实例包括硫碳复合物。适于用作活性材料16的硒材料可包括单质硒、Li2Se、硫化硒合金、SeS2、SnSexSy（例如，SnSe0.5S0.5）及其组合。正极22'的基于硫属元素的活性材料可与聚合物粘合剂和导电填料混合。合适的粘合剂包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚环氧乙烷（PEO）、乙烯丙烯二烯单体（EPDM）橡胶、羧甲基纤维素（CMC）、丁苯橡胶（SBR）、丁苯橡胶-羧甲基纤维素（SBR-CMC）、聚丙烯酸（PAA）、交联聚丙烯酸聚乙烯亚胺、聚酰亚胺，或本领域技术人员已知的任何其它合适的粘合剂材料。其它合适的粘合剂包括聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠或其它水溶性粘合剂。聚合物粘合剂在结构上将基于硫属元素的活性材料和导电填料保持在一起。导电填料的一个实例是高表面积碳，例如乙炔黑或活性炭。导电填料确保正极侧集流体26与基于硫属元素的活性材料之间的电子传导。在一个实例中，正极活性材料和聚合物粘合剂可以用碳封装。在一个实例中，在正极22'中S和/或Se与C的重量比在1:9到9:1之间。
阳极集流体12可以包含铜、镍、铜镍合金或本领域技术人员已知的任何其它适合的导电材料。阳极集流体12可以用高导电材料处理（例如，涂覆），所述高导电材料包括铬、导电炭黑、石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和气相生长碳纤维（VGCF）等中的一种或多种。例如，集流体表面可以粗糙化，和/或集流体可以穿孔。对于锂，硅具有已知的最高理论充电容量，使其成为用于可充电锂离子电池的最有前途的阳极主体材料13之一。因此，本文提供了包含硅基主体材料（13）的电极及其制造方法。
图3示出了电极（例如，阳极11）和利用该电极的电池组电池（例如，电池组电池10）的制备方法。方法100包括：101，用浆料103涂覆集流体12以形成涂覆的集流体102；110，热处理涂覆的集流体102以产生包含至少一个硅基主体材料层13的电极（阳极11）。如图3所示，集流体12具有可将浆料103施加于其上的一个或多个面（例如，第一集流体面12A和第二集流体面12B）。方法100可以进一步包括，在涂覆101之后并且在热处理110之前，105，干燥涂覆的集流体102。方法100可以进一步包括：115，随后通过在电解质（例如电解质17）中设置所述电极（例如阳极11）和正极（例如阴极14）来组装电池组电池（例如电池组电池10）。组装115电池组电池还可以包括在所述电极（例如阳极11）和正极（例如阴极14）之间设置隔膜（例如隔膜18）。
浆料103包含干部分和一种或多种溶剂。干部分包含硅颗粒、一种或多种聚合物粘合剂和一种或多种天然碳质细丝。浆料中使用的溶剂的量被调整以获得特定的浆料粘度和/或适合将浆料103施加于集流体的任何其它物理特性。浆料可包含约5 wt%至约50 wt%的干部分。例如，在一个实施方案中，浆料可包含约25 wt%至约30 wt%的干部分和约70 wt%至约75 wt%的溶剂。溶剂可包含任何极性溶剂，包括N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、丙酮和甲基乙基酮等。在一些实施方案中，浆料包含100 wt%的干部分而无溶剂。
硅颗粒可包括单质硅颗粒、周期表V族元素（例如P、As、Sb、Bi）n型掺杂的硅颗粒、硅合金颗粒（例如Si-Fe、Si-Al和Al-Mg-Si合金）、硅碳复合材料颗粒（即与导电碳材料相结合的硅颗粒）和/或Li2Si颗粒。硅颗粒可额外地或替代地包含SiOx，其中通常x≤2。在一些实施方案中，对于一些SiOx颗粒，x≈1。例如，x可以是约0.9到约1.1，或约0.99到约1.01。在SiOx粒子基体中，可能还存在SiO2和/或Si结构域。在一些实施方案中，硅颗粒可被视为“单相”，且不包括任何添加的导电碳（例如石墨）。
利用Li2Si颗粒可有助于防止硅颗粒的体积膨胀，以及在电池组电池10的初始循环期间从阴极14不可逆地捕获锂。在一些实施方案中，硅颗粒的平均粒径可以为小于约10微米，约50纳米到约10微米或约3微米到约10微米。在一些实施方案中，特别是为快充而构造的电池组电池10中，硅颗粒的平均粒径可以为约1微米到约3微米或约0.15微米到约1微米。在一些实施方案中，干部分可包含约5 wt%至约95wt%的硅颗粒。在另一些实施方案中，干部分可以包含至少约70 wt%的硅颗粒，至少约75wt%的硅颗粒，或约75 wt%至约95wt%的硅颗粒。在利用Li2Si颗粒的实施方案中，干部分中锂原子的量可以基本上等于硅原子的量。例如，硅颗粒可占硅和锂原子总数的约45%至约50%（基于计数计算）。
所述一种或多种聚合物粘合剂可包括聚环氧乙烷（PEO）、乙烯丙烯二烯单体（EPDM）橡胶、羧甲基纤维素（CMC）、丁苯橡胶（SBR）、丁苯橡胶-羧甲基纤维素（SBR-CMC）、聚丙烯酸（PAA）、Li-PAA、Na-PAA、Na-海藻酸、Li-PAA、交联聚丙烯酸-聚乙烯亚胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠、丁腈橡胶（NBR）、聚丙烯腈（PAN）、和/或一种或多种含氟聚合物（例如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙烯丙烯（FEP）和全氟烷氧基烷烃（PFA）），或本领域技术人员已知的任何其它合适的粘合剂材料。聚合物粘合剂可占干部分的至多约10 wt%，或者约0.1wt%至约15wt%或约1wt%至约10 wt%。
干部分可包含约1 wt%至约20 wt%天然碳质细丝。天然碳质细丝可具有至少约1纳米的平均直径，或者具有约1纳米到约500纳米的平均直径。天然碳质细丝可具有至少约1微米，或约1微米至约50微米的平均长度。天然碳质细丝在导电的同时为主体材料13提供挺度和机械完整性。天然碳质细丝可包括动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖。在一些实施方案中，天然碳质细丝可选自由动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖组成的组。在一些实施方案中，干部分可任选地进一步包含一种或多种合成碳质细丝。合适的合成碳质细丝通常具有高碳含量（例如，>70 wt%的碳），并且耐酸。合适的合成碳质细丝可包括尼龙、改性腈纶、烯烃、丙烯酸化合物、聚酯、人造丝、维荣、聚乙烯、聚醚聚脲共聚物、维尼纶、芳纶、聚苯并咪唑、聚乳酸、聚对苯二酚-二咪唑并吡啶、热固性液晶聚噁唑、芳香族聚酯和德克罗恩。
因此，在一些实施方案中，干部分包含约5 wt%至约95 wt%的硅颗粒、约0.1 wt%至约15 wt%的聚合物粘合剂和约1 wt%至约20 wt%的天然碳质细丝。在一些实施方案中，硅基主体材料13中存在的碳由来自所述一种或多种聚合物粘合剂和所述一种或多种天然碳质细丝的碳以及任选地由集流体贡献的碳组成。
干部分可任选地进一步包含至多约10 wt%的导电碳。导电碳可以包括导电炭黑、石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、乙炔黑和气相生长碳纤维（VGCF）等中的一种或多种。
在涂覆101之后并在热处理110之前，涂覆的集流体102可以被干燥105。通常通过蒸发，干燥105基本上从浆料中除去溶剂，并因此合适的溶剂可以被认为是挥发性有机化合物。干燥105可在低于约100℃或低于约200℃的温度下进行，并且可在露天（例如，非惰性）环境中进行。在一些实施方案中，干燥可以在更高的温度（例如，至多约500℃）下进行，并且利用相对于较低温度（例如，100℃）的干燥方法显著更短的干燥时间。干燥防止浆料溶剂在热处理过程中引入氧化物。热处理110优选在基本上不含含氧气体（例如，O2、CO、CO2等）的环境或“惰性气氛”中进行。例如，惰性气氛可包括N2、Ar和/或He气氛，或真空。例如，热处理可包括将涂覆的集流体102加热到约250℃至约1200℃的温度。
图4示出了经热处理110的电极（即阳极11）的示意性横截面侧视图。热处理110使聚合物粘合剂、天然碳质细丝133和任选的合成碳质细丝134碳化以形成围绕硅颗粒131的碳层132，以缓冲硅颗粒131的膨胀，并进一步将天然碳质细丝133锚固到硅颗粒131、集流体12和任选的合成碳质细丝134上。在一些实施方案中，热处理110可包括在第一温度下加热，并随后在第二温度下加热，其中第二温度高于第一温度。在第一温度和第二温度下的热处理110可以更合适地将聚合物粘合剂转化为具有所需机械和/或电性能的希望材料。例如，聚合化合物可在第二温度下脱氢。脱氢可增加聚合物粘合剂的导电性。热处理持续时间可以根据主体材料层13的厚度T调整，其中更薄的主体材料层13通常需要更短的热处理持续时间。在一些实施方案中，硅基主体材料层13的厚度T为约20微米至约50微米，或至多约50微米。
虽然上面描述了示例性实施方案，但并不意味着这些实施方案描述了权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性而不是限制性的词语，并且可以理解，可以进行各种改变而不脱离本发明的精神和范围。如前所述，各种实施方案的特征可以被组合以形成未被明确描述或说明的本发明的其它实施方案。尽管各实施方案被描述为相对于其它实施方案或现有技术实施方案对于一个或多个期望特性具有优点或为优选的，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以妥协以实现希望的总体***属性，这取决于具体的应用和实践。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易装配性等。因此，对于一个或多个特性被描述为不如其它实施方案或现有技术实施方案的实施方案并非在本发明的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

Claims (10)

1.一种制备电极的方法，所述方法包括：
用浆料涂覆集流体以形成涂覆的集流体，其中所述浆料包含：
干部分，所述干部分包含：
硅颗粒，
一种或多种聚合物粘合剂，和
一种或多种天然碳质细丝，和
一种或多种溶剂；以及
热处理涂覆的集流体以产生包含硅基主体材料层的电极。
2.一种制备电池组电池的方法，所述方法包括：
用浆料涂覆集流体以形成涂覆的集流体，其中所述浆料包含：
干部分，所述干部分包含：
硅颗粒，
一种或多种聚合物粘合剂，和
一种或多种天然碳质细丝，其中所述一种或多种天然碳质细丝具有约1微米至约50微米的平均长度和约1纳米至约500纳米的平均直径，和
一种或多种溶剂，
在基本上不含含氧气体的气氛中热处理所述涂覆的集流体，以产生包含硅基主体材料层的负极，以及
随后通过将所述负极和正极放置在电解质中来组装电池组电池。
3.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝包括动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖。
4.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝选自由动物纤维、几丁质、海藻酸盐、纤维素、角蛋白和壳聚糖组成的组。
5.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述一种或多种天然碳质细丝具有约1微米至约50微米的平均长度和约1纳米至约500纳米的平均直径。
6.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中硅基主体材料中存在的碳由来自所述一种或多种聚合物粘合剂和所述一种或多种天然碳质细丝的碳和任选地由集流体贡献的碳组成。
7.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中干部分进一步包含一种或多种合成碳质细丝。
8.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中所述一种或多种合成碳质细丝包括尼龙、改性腈纶、烯烃、丙烯酸化合物、聚酯、人造丝、维荣、聚乙烯、聚醚聚脲共聚物、维尼纶、芳纶、聚苯并咪唑、聚乳酸、聚对苯二酚-二咪唑并吡啶、热固性液晶聚噁唑、芳香族聚酯和德克罗恩。
9.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中干部分包含约5 wt%至约95 wt%的硅颗粒、约0.1 wt%至约15 wt%的聚合物粘合剂和约1 wt%至约20 wt%的天然碳质细丝。
10.根据上述权利要求任一项所述的方法，其中硅基主体材料层的厚度为约20微米到约50微米。
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