一种硅碳复合正极和二次电池制造技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合正极和二次电池，属于电化学和新能源产品领域。所述硅碳复合正极，包括正极活性物质、粘结剂和集流体，其中正极活性物质为表面包覆碳材料层的石墨烯和硅纳米粉末，该正极活性物质为核壳结构。采用本发明专利技术的硅碳复合正极制备二次电池，具有能量密度高、安全可靠、价格低廉的优点，且电池充放电性能优良。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学和新能源产品领域，涉及一种硅碳复合正极和包括该正极的二次电池。
技术介绍
随着电子和通讯设备、电动汽车、风力发电和光伏发电等新电源的快速发展，人类对配套电源的电池性能需求越来越高，迫切需要开发具有能量高、成本低、寿命长、绿色环保、电池材料资源丰富以及可循环利用的动力电池和储能电池。铝的理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于锂（3682mAh/g），体积比容量为8050mAh/cm3，是锂的4倍，且化学活泼性相对稳定，是理想的负极材料，因此以铝为负极制备的铝离子电池可构成一种资源丰富、无污染、价格低廉、能量密度高、使用安全的理想电池。专利CN104241596A中公开了一种可充电铝离子电池，其中正极为石墨结构碳材料，包括石墨、碳纸、碳纤维纸、膨胀石墨及炭黑。单纯碳材料容量较小，导电性有待提高，循环稳定性也有待提高。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种硅碳复合正极和包括该正极的二次电池。该硅碳复合正极的正极活性物质为表面包覆碳材料层的石墨烯和硅纳米粉末，具有核壳结构，导电性好，能量密度大幅提高，由此制备的二次电池循环性能稳定。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种硅碳复合正极，包括正极活性物质、粘结剂和集流体，所述正极活性物质为表面包覆碳材料层的石墨烯和硅纳米粉末，所述正极活性物质为核壳结构。所述正极活性物质中碳材料层由葡萄糖或蔗糖热解形成。所述碳材料层的厚度为1-20纳米，碳材料层占正极活性物质的比重为1%-2%。所述石墨和硅纳米粉末粒径为30-50微米。所述石墨和硅纳米粉末采用球磨得到。正极活性物质占硅碳复合正极的质量百分比为80%-85%，粘结剂质量百分比5%-20%。所述粘结剂为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯丁二烯共聚物、丁苯橡胶、氟化橡胶和聚氨酯及其衍生物、共聚物中的任一种或任几种的混合物。所述集流体为不锈钢、铜、镍、钛、铝中的任意一种。上述硅碳复合正极的制备：将正极活性物质和粘结剂按照比例混合均匀，涂覆在集流体表面，烘干碾压然后裁剪很合适的尺寸即可。一种二次电池，包括正极、含铝负极、隔膜和非水含铝电解液，其中正极为上述硅碳复合正极。本专利技术将硅碳复合作为正极，在保证硅的大容量的前提下，利用石墨具有较大比表面积的优点，缓冲了硅在充放电过程中的体积膨胀和缩小，提高了电子导电性，包覆的碳材料层可避免硅碳颗粒同电解液直接接触，所形成的核壳结构的颗粒减小了材料的比表面积，提高了充放电效率，同时利用硅的高容量和碳载体的低体积效应，增加了循环稳定性。本专利技术的有益效果如下：本专利技术公开的硅碳复合正极具有导电性好，能量密度高，安全可靠，价格低廉的优点，由此制备的二次电池循环性能稳定。具体实施方式以下将结合实施例对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。下面的实施例描述了本专利技术的几种实施方式，它们仅是说明性的，而非限制性的。实施例1正极活性物质制备：将2kg质量比为3:1的石墨粉与40微米的硅粉在氩气氛围中机械球磨10h，球磨转速为100rpm，制得石墨和硅纳米粉末；然后将500g葡萄糖溶解于2.5L蒸馏水中，加入上述石墨和硅纳米粉末，搅拌均匀；再将上述溶液放入110℃的烘箱干燥6h，自然冷却至室温后，用玛瑙研磨20min，然后放入石墨坩埚，将石墨坩埚放入管式炉，在氩气氛围下以50℃/h的升温速率升至700℃并保温3h，自然降温至室温会，再用玛瑙研磨30min，然后过200目筛子，得到正极活性物质。硅碳复合正极的制备：将上述正极活性物质和粘结剂以质量比15:1混合均匀，涂覆于泡沫镍基体上，烘干碾压后裁成适合尺寸的正极片即可。二次电池的制备：将上述正极片和0.16mm厚的玻璃纤维滤纸隔膜以及制备好的铝片负极卷绕成电芯装入镀镍钢壳，再注入氯化铝-三乙胺盐酸盐离子液体电解液，最后封口组装成二次电池。对所制备的二次电池进行充放电循环测试，以1C进行充电至2.5V，0.1C放电，放电截止电压为1.2V。首次放电容量为780mAh，50次循环后容量保持率为73%。实施例2正极活性物质制备：将4.5kg质量比为8:1的石墨粉与30微米的硅粉在氩气氛围中机械球磨10h，球磨转速为200rpm，制得石墨和硅纳米粉末；然后将500g葡萄糖溶解于5L蒸馏水中，加入上述石墨和硅纳米粉末，搅拌均匀；再将上述溶液放入130℃的烘箱干燥8h，自然冷却至室温后，用玛瑙研磨20min，然后放入石墨坩埚，将石墨坩埚放入管式炉，在氩气氛围下以50℃/h的升温速率升至700℃并保温5h，自然降温至室温会，再用玛瑙研磨50min，然后过200目筛子，得到正极活性物质。硅碳复合正极的制备：将上述正极活性物质和粘结剂以质量比8:2混合均匀，涂覆于泡沫镍基体上，烘干碾压后裁成适合尺寸的正极片即可。二次电池的制备：将上述正极片和0.16mm厚的玻璃纤维滤纸隔膜以及制备好的铝片负极卷绕成电芯装入镀镍钢壳，再注入氯化铝-三乙胺盐酸盐离子液体电解液，最后封口组装成二次电池。对所制备的二次电池进行充放电循环测试，以1C进行充电至2.5V，0.1C放电，放电截止电压为1.2V。首次放电容量为773mAh，50次循环后容量保持率为70%。实施例3正极活性物质制备：将3kg质量比为5:1的石墨粉与50微米的硅粉在氩气氛围中机械球磨8h，球磨转速为400rpm，制得石墨和硅纳米粉末；然后将400g葡萄糖溶解于3L蒸馏水中，加入上述石墨和硅纳米粉末，搅拌均匀；再将上述溶液放入120℃的烘箱干燥5h，自然冷却至室温后，用玛瑙研磨20min，然后放入石墨坩埚，将石墨坩埚放入管式炉，在氩气氛围下以50℃/h的升温速率升至700℃并保温3h，自然降温至室温会，再用玛瑙研磨60min，然后过200目筛子，得到正极活性物质。硅碳复合正极的制备：将上述正极活性物质和粘结剂以质量比9:1混合均匀，涂覆于泡沫镍基体上，烘干碾压后裁成适合尺寸的正极片即可。二次电池的制备：将上述正极片和0.16mm厚的玻璃纤维滤纸隔膜以及制备好的铝片负极卷绕成电芯装入镀镍钢壳，再注入氯化铝-三乙胺盐酸盐离子液体电解液，最后封口组装成二次电池。对所制备的二次电池进行充放电循环测试，以1C进行充电至2.5V，0.1C放电，放电截止电压为1.2V。首次放电容量为785mAh，50次循环后容量保持率为72%。尽管已经参照实施方案对本专利技术进行了详细的描述，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书及其等价物所述的本专利技术的构思和范围的情况下，可以对其作出各种修改和替换。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅碳复合正极，包括正极活性物质、粘结剂和集流体，其特征在于：所述正极活性物质为表面包覆碳材料层的石墨烯和硅纳米粉末，所述正极活性物质为核壳结构。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合正极，包括正极活性物质、粘结剂和集流体，其特征在于：所述正极活性物质为表面包覆碳材料层的石墨烯和硅纳米粉末，所述正极活性物质为核壳结构。2.根据权利要求1所述的硅碳复合正极，其特征在于：所述正极活性物质中碳材料层由葡萄糖或蔗糖热解形成。3.根据权利要求1或2所述的硅碳复合正极，其特征在于：所述碳材料层的厚度为1-20纳米，碳材料层占正极活性物质的比重为1%-2%。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇光，
申请(专利权)人：南京中储新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32