基于自支撑硅基的锂电池负极涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种基于自支撑硅基的锂电池负极涂层及其制备方法与应用，属于涂层技术领域。本发明专利技术所述的制备方法先将硅粉、碳粉和金属粉溶于水，经乳化、烘干、造粒，得到复合粉末；所述硅粉、碳粉和金属粉的质量比为1

【技术实现步骤摘要】
基于自支撑硅基的锂电池负极涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于涂层
，尤其涉及一种基于自支撑硅基的锂电池负极涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]科技的进步，人们对于移动和固定的能量储存设备需要越来越大，其中最常见的电化学储能装置是锂离子电池，它主要依靠锂离子在正负极之间的移动来工作，具有非常高的效率和可逆性。然而随着商业应用对锂离子电池性能要求的增加，促使人们寻求更大容量的电极材料。其中硅具有较低的嵌锂电位和高比容量(4200mAh/g)，且成本低廉、环境友好，被认为是最有潜力的负极材料之一。但是硅在锂离子电池充放电时会出现体积膨胀，破坏电极结构，使得负极材料的可逆性能变差，电池容量严重衰减，因此在硅基材料进行改进是一种必然趋势。
[0003]目前，常规的锂电池制备方法是在负极材料中添加分散剂、导电剂和粘结剂等形成负极浆料，涂覆在集流体表面，得到电极。但是在负极材料中加入的粘结剂会影响电池的导电性，造成电池内阻增大，加快电池老化。
[0004]专利CN 109244386 A公开了一种高能量含硅锂电池及制备方法，其正极的导电剂为单壁碳纳米管和石墨烯；负极片由负极活性物质、导电炭黑、单壁碳纳米管、CMC和粘结剂组成。虽然此类方法通过对正负极导电剂成分和粘结剂的优化，抑制体积膨胀，提高充放电稳定性。但是在锂电池制备过程中加入的粘结剂容易导致负极的导电性能降低，降低锂电池使用寿命。
[0005]专利CN 113224304 A公开了一种铜镍共掺杂的碳化硅锂离子电池负极材料及其制备方法。采用凝胶
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溶胶技术和煅烧热处理技术，在碳化硅的合成过程中原位掺杂铜、镍，制备了Cu，Ni
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SiC电极材料。虽然此类方法能够改变晶胞结构，提高机械强度、导电性，但此方法的加工时间较长，效率较低，不适用于商业化应用。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中硅基材料体积效应、现有制备方法效率低、锂电池导电性差等问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于自支撑硅基的锂电池负极涂层及其制备方法与应用。利用大气等离子喷涂和复合造粉的工艺技术，制备出基于自支撑硅基材料的锂电池负极涂层。有效抑制了硅基材料的体积膨胀，提高锂电池的导电性和电化学性能，减少了锂电池自身重量。
[0008]本专利技术的第一个目的是提供一种基于自支撑硅基的锂电池负极涂层的制备方法，包括以下步骤，
[0009]S1、将硅粉、碳粉和金属粉溶于溶剂，经乳化、烘干、造粒，得到复合粉末；所述硅粉、碳粉和金属粉的质量比为1
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3：1：6
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8；
[0010]S2、采用大气等离子喷涂技术将S1所述的复合粉末沉积在可溶性盐基体表面，得到所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，在S1中，所述的硅粉和金属粉的粒径均为100nm
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1000nm；碳粉的粒径为1μm
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10μm。金属粉末具有集流体的作用，能够吸收应力，降低了自身重量，还可以提高硅电极的循环效率和速率能力。碳粉末能够增加电极的导电性，另一方面碳框架可以吸收硅的应力，有效缓解活性材料在充放电过程中发生的体积变化。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，在S1中，所述的碳粉为氧化石墨烯粉末和/或石墨烯粉末；金属粉为铜粉、锡粉和镍粉中的一种或多种。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述的石墨烯粉末的粒径为1μm
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10μm；所述的氧化石墨烯粉末的粒径为1μm
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5μm。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，在S1中，所述的乳化是在高速乳化机中进行，转速为7000
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9000rpm，乳化时间为9h
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11h。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，在S1中，所述的造粒的条件为：入口温度为200
‑
240℃，出口温度为100
‑
120℃，雾化转速为6000
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7000r/min，进料速度为100
‑
150g/min。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，在S1中，所述的复合粉末的粒径为45μm
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75μm。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，在S1中，所述的复合粉末的制备具体包括以下步骤：将硅粉、碳粉和金属粉溶于水，放入高速乳化机中，进行乳化搅拌，并同时采用加热器烘干，得到的胶状混合物；使用喷涂造粒机，进行造粒，经过筛网筛选后，得到复合粉末。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，在S2中，所述可溶性盐基体为溴化钾玻璃片或氯化钠盐砖；所述可溶性盐基体的厚度为5mm
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100mm，为实现基于自支撑硅基的锂电池负极涂层提供条件。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，使用夹具将可溶性盐基体夹在两板之间，在前板打上直径为13mm的圆孔，喷涂过后，从而得到直径为13mm的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，在S2中，大气等离子喷涂的工艺参数包括：喷枪的移动速度为200
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600mm/s；喷涂距离为120
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200mm；功率为26
‑
32kW；电流为700
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810A，电压为37
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40V；焰心温度为10000
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15000K；送粉速率为10
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20g/min；喷涂循环次数为2
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10次。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，在S2中，大气等离子喷涂过程中；主气气体为氩气，主气气压为0.6
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0.8Mpa，主气流量为30
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70L/min；辅气气体为氦气，辅气气压为0.3
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0.6MPa，辅气流量为2
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50L/min。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，在S2中，喷涂过程中所述的可溶性盐基体的温度不超过600℃。
[0023]本专利技术的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层的厚度为40μm
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150μm，可通过喷涂循环次数调整。
[0025]本专利技术的第三个目的是提供一种锂电池电极，所述的锂电池电极由所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层制备得到。
[0026]本专利技术的第四个目的是提供一种锂电池，其负极采用所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层制备得到。
[0027]本专利技术的技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0028](1)本专利技术所述的锂电池负极涂层中金属或碳框架的自支撑作用，能够有效抑制硅基材料的体积膨胀，降低锂电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自支撑硅基的锂电池负极涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，S1、将硅粉、碳粉和金属粉溶于水，经乳化、烘干、造粒，得到复合粉末；所述硅粉、碳粉和金属粉的质量比为1
‑
3：1：6
‑
8；S2、采用大气等离子喷涂技术将S1所述的复合粉末沉积在可溶性盐基体表面，得到所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层。2.根据权利要求1所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层的制备方法，其特征在于，在S1中，所述的硅粉和金属粉的粒径均为100nm
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1000nm；碳粉的粒径为1μm
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10μm。3.根据权利要求1所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层的制备方法，其特征在于，在S1中，所述的碳粉为氧化石墨烯粉末和/或石墨烯粉末；金属粉为铜粉、锡粉和镍粉中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层的制备方法，其特征在于，在S1中，所述的造粒的条件为：入口温度为200
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240℃，出口温度为100
‑
120℃，雾化转速为6000
‑
7000r/min，进料速度为100
‑
150g/min。5.根据权利要求1所述的基于自支撑硅基的锂电池负极涂层的制备方法，其特征在于，在S2中，所述可溶性盐基体为溴化钾玻璃片或氯化钠盐砖；所述可溶性盐基体的厚度为5mm
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【专利技术属性】
技术研发人员：俞泽新，王博通，许振宁，桂珑恩，谢迎春，刘妹妹，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：