复合硅-石墨电极及其制备方法与锂离子二次电池技术

本发明专利技术公开了一种复合硅

【技术实现步骤摘要】
复合硅
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石墨电极及其制备方法与锂离子二次电池


[0001]本专利技术涉及一种复合硅
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石墨电极及其制备方法与锂离子二次电池，属于锂离子电池


技术介绍

[0002]由于硅具有地壳中储量丰富、理论容量高和平台电压低等优势，是理想的锂离子电池负极材料。但是，硅基负极循环过程中伴随着巨大的体积变化，一方面会导致硅基负极的结构失效， 另一方面会引起表面SMI膜的不停破坏重建， 从而影响其电化学性能。
[0003]目前大多把注意力放在优化材料微观结构的设计上，如纳米硅的制备、构建多孔硅负极、设计硅与其他材料形成复合材料等，这样做的目的都是为了能在最大程度上限制硅活性材料在循环过程出现的体积效应，能改善硅微米颗粒负极材料在高电流密度下较大的体积膨胀以及降低强拉伸应力对电极上膜片层的负面作用，以至于锂离子二次电池的循环寿命能较好维持。
[0004]而在电极层面，大多设计以粘结物质含羧基、羟基等极性共价键相互作用包裹住硅材料，涂覆于铜质集流体上得到电极，以提高硅颗粒整体的稳定性，但忽略了集流体与粘结物质的联系，在硅的连续体积变化时粘结物质易于滑动或脱离集流体，相互作用减弱，导致电极上硅材料失活，电性能失效。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种复合硅
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石墨电极及其制备方法与锂离子二次电池，通过设计复合电极来提高集流体与粘结物质结合能力，提高含硅电极结构的稳定性，进而优化硅
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石墨电极电化学性能。具体是通过在负极集流体上镀纤维状碳层，提升剥离强度及与集流体的电子导电性；采用改性粘结物质作为预涂层，使活性层与集流体的粘结力更高，联系更加紧密；硅
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石墨复合活性层表面镀一层石墨活性层，石墨膨胀较弱，更有利于缓解由于硅碳负极活性材料体积膨胀引起的结构应力，减少活性材料脱落至电解液中，保护其结构的一致性，提高循环使用寿命；此外，硅
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石墨复合活性层中的改性粘结物质进一步限制硅的体积膨胀，对极片的结构进行强化，能与复合硅
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石墨电极的Si 颗粒相互作用，具有较高的剥离强度，循环后电极表面更完整，具有更出色的机械强度。
[0006]本专利技术的第一个目的是提供一种复合硅
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石墨电极，包括负极集流体和依次涂覆的预涂层、硅
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石墨复合活性层和石墨活性层；其中，预涂层由改性粘结物质组成；硅
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石墨复合活性层由硅
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石墨负极材料、改性粘结物质和导电材料组成；石墨活性层由石墨负极材料、粘结物质和导电材料组成；所述改性粘结物质由苯胺类物质与氧化的纤维状碳聚合而成。
[0007]进一步地，所述负极集流体为表面镀有氧化的纤维状碳层的改性负极集流体。
[0008]进一步地，硅
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石墨复合活性层中，硅
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石墨负极材料、改性粘结物质和导电材料的质量比为85~99.4：0.3~8：0.3~7。
[0009]进一步地，石墨活性层中，石墨负极材料、粘结物质、导电材料按照质量比85~99.4：0.3~8：0.3~7。
[0010]进一步地，所述硅
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石墨负极材料为硅负极材料与石墨负极材料混合得到，其中，石墨负极材料占比在25~98%的质量分数。例如25~30%、30~35%、35~40%、40~45%、45~50%、50~55%、55~60%、60~65%、65~70%、70~75%、75~80%、80~85%、85~90%、90~95%、95~98%不等。
[0011]进一步的，所述硅负极材料为块状、片状、球状、管状、多层状的硅碳纳米材料、硅氧纳米材料、硅碳微米材料、硅氧微米材料、硅碳纳米线、硅氧纳米线、硅氧纳米线与碳复合材料、硅碳微米线、硅氧微米线、硅氧微米线与碳复合材料中的一种或者几种。
[0012]进一步的，所述石墨负极材料为块状、片状、球状、管状、多层状的人造石墨、改性天然石墨、天然石墨、人造
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天然复合中的一种或几种。
[0013]进一步地，所述硅负极材料的粒度<50μm， pH在7~12.5之间；且，所述石墨负极材料的粒度<50μm， pH在7~12.5之间。
[0014]进一步地，所述苯胺类物质为苯胺、苯二胺、苯甲酰胺中的一种或几种。
[0015]进一步的，所述氧化的纤维状碳为：经过氧化处理的纤维状碳。
[0016]进一步的，所述氧化的纤维状碳为：经过氧化处理的簇状纳米碳纤维、簇状微米碳纤维、团聚状纳米碳纤维、簇状团聚微米碳纤维、长碳纳米纤维、长碳微米纤维、碳纳米管、碳微米管中的一种或几种。
[0017]进一步地，所述氧化处理是将所述的纤维状碳采用强氧化剂进行氧化。
[0018]在本专利技术中，纤维状碳采用强氧化剂进行氧化后，表面富含羧基、羟基等简单的官能团。
[0019]进一步在改性粘结物质制备中，除了苯胺类物质聚合反应外，纤维状碳表面的
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COOH基团与苯胺类物质的
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NH2氨基进行脱水缩反应，进而能插入聚苯胺链中。因此改性粘结物质中的纤维状碳在提供负极材料的电子和锂离子有效的电流路径基础上，附带提供强粘附力的极性官能团，能与复合硅
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石墨电极的Si 颗粒相互作用，从而具有出色的机械强度。
[0020]进一步在负极集流体上镀有氧化的纤维状碳层，也能够提升剥离强度，增强与负极集流体的电子导电性。
[0021]进一步的，所述负极集流体为铜箔、紫铜箔、多孔铜箔、涂泡沫镍铜箔、涂泡沫铜铜箔、镀锡/锌铜箔中的一种或几种。
[0022]进一步的，所述氧化的纤维状碳层厚度在0.03~2μm，涂覆面密度在0.3~25g/m2。
[0023]进一步的，所述预涂层控制涂覆厚度在1~15μm，涂覆面密度在10~50g/m2。
[0024]进一步地，所述硅
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石墨复合活性层和石墨活性层总厚度在40~210μm，涂覆总质量在40~340g/m2。
[0025]进一步地，石墨活性层中，所述粘结物质为丁苯橡胶、海藻酸钠、海藻酸锂、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、聚甲基丙烯酰、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸锂、聚丙烯酰胺等的一种或几种。
[0026]进一步地，在硅
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石墨复合活性层和石墨活性层中，导电材料独立选自导电石墨、
导电炭黑、导电碳纤维、导电碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
[0027]本专利技术的第二个目的是提供所述的复合硅
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石墨电极的制备方法，包括如下步骤：S1、在负极集流体的一面涂覆改性粘结物质得到涂覆预涂层的负极集流体；S2、按照硅
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石墨负极材料、改性粘结物质和导电材料的质量比为85~99.4：0.3~8：0.3~7配制硅
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合硅
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石墨电极，其特征在于，包括负极集流体和依次涂覆的预涂层、硅
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石墨复合活性层和石墨活性层；其中，预涂层由改性粘结物质组成；硅
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石墨复合活性层由硅
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石墨负极材料、改性粘结物质和导电材料组成；石墨活性层由石墨负极材料、粘结物质和导电材料组成；所述改性粘结物质由苯胺类物质与氧化的纤维状碳聚合而成。2.根据权利要求1所述复合硅
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石墨电极，其特征在于，所述负极集流体为表面镀有氧化的纤维状碳层的改性负极集流体。3.根据权利要求1所述复合硅
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石墨电极，其特征在于，硅
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石墨复合活性层中，硅
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石墨负极材料、改性粘结物质和导电材料的质量比为85~99.4：0.3~8：0.3~7。4.根据权利要求1所述复合硅
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石墨电极，其特征在于，石墨活性层中，石墨负极材料、粘结物质、导电材料按照质量比85~99.4：0.3~8：0.3~7。5.根据权利要求1所述复合硅
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石墨电极，其特征在于，所述苯胺类物质为苯胺、苯二胺、苯甲酰胺中的一种或几种。6.根据权利要求1或2所述复合硅
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石墨电极，其特征在于，所述氧化的纤维状碳为：经过氧化处理的簇状纳米碳纤维、簇状微米碳纤维、团聚状纳米碳纤维、簇状团聚微米碳纤维、长碳纳米纤维、长碳微米纤维、碳纳米管、碳微米管中的一种或几种。7.根据权利要求2所述复合硅
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石墨电极，其特征在于，所述纤维状碳层厚度在0.03~2μm，涂覆面密度在0.3~25g/m2。8.根据权利要求1所述复合硅
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石墨电极，其特征在于，所述预涂层控制涂覆厚度在1~15μm，涂覆面密度在10~50g/m2。9.根据权利要求1所述复合硅
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【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，韩定宏，
申请(专利权)人：江苏正力新能电池技术有限公司，
类型：发明
国别省市：