[发明专利]一种硅碳复合负极电极的制备方法、锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极及其制备方法和使用该负极的电池，具体的说，本发明涉及一种锂离子二次电池的硅碳复合负极电极及其制备方法和使用该硅碳复合负极电极的锂离子二次电池。

背景技术

锂离子二次电池由于具有体积小、能量密度大等特点，在移动通信设备、数码相机、笔记本电脑等电子产品被广泛作为主流电源使用。目前传统的锂钴氧/石墨体系的二次电池的容量已经接近其理论最高容量，很难通过提高敷料密度、减薄集流体或隔膜的厚度等方法来提高其体积能量密度。随着移动电子产品的更新换代，特别是手机4G时代的来临，对超高容量电池的出现提出了迫切的要求。

商业化的锂离子电池负极材料多为天然石墨、人造石墨、中间相等各种石墨类材料，用这些材料制备的锂电池广泛用于便携式电子设备、储能设备及电动汽车。石墨类碳负极材料容量又较低，一般不超过360mAh/g(其理论值为372mAh/g，实际发挥容量为330-360mAh/g)，虽然目前石墨类负极材料在半电池中的实际脱锂容量高达365mAh/g，但很难进一步提升，已经越来越难以满足市场需求。以18650锂电池为例，石墨负极已经无法满足3.5Ah以上电池的能量密度要求，这种市场变化要求必需开发一种新型高能量密度的负极材料代替石墨类材料。

近年来，将硅基材料作为锂离子电池的负极材料进行了广泛细致地研究。在充放电过程中，锂可以在硅基材料中进行脱嵌。锂插入到硅中时，可以与硅形成合金。这种硅负极材料具有极高的比容量，理论容量可以达到4200mAh/g。

但是，硅基材料在脱嵌锂前后会产生巨大的体积变化，硅基材料完全嵌锂后体积约膨胀为原来的4倍。因此，在充放电过程中的如此剧烈的体积变化引发了一系列致命的问题，例如，循环过程中负极材料的破碎、粉化引起的脱嵌锂能力的丧失，负极材料从集流体上脱落而引起的集流特性的劣化，集流体上产生褶皱而引起的卷绕体电芯的鼓胀等导致电池的循环性能明显下降。

目前又有企业将硅基材料和石墨类负极材料复合制备锂离子电池，但目前的制备工艺复杂，且制备的硅碳负极并未有效缓解硅材料在充放电过程中的体积膨胀，放电比容量、首次充放电率和循环性能都有待提高，还不能满足市场对超高容量电池的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅碳复合负极电极以及电极的制备方法和使用该负极电极的锂离子电池，要解决的技术问题是有效提高现有电池体系能量密度，解决硅材料在循环过程中的体积膨胀问题，改善硅材料在使用过程中的循环性能。

本发明所采用的技术方案是：

一、将硅源与碳源充分混合分散加入粘结剂、溶剂制备成固含量为10％-80％的负极浆料，溶剂为去离子水或NMP溶液；其中，

所述硅源为单质硅，所述单质硅的粒径分布为100nm-80um，所述单质硅的纯度为99.9％以上，所述硅源占硅碳负极电极总质量的10％-80％；

所述碳源包括碳负极材料和导电剂，所述碳负极材料为碳纤维、石墨和中间相碳微球中的一种或多种，所述导电剂为炭黑导电剂、石墨导电剂和石墨烯中的一种或多种，所述碳负极材料占碳源总质量的10％-90％；

所述粘结剂为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶和纤维素基聚合物中的一种或多种，所述粘结剂占硅碳负极电极总质量的0-10％；

二、一次涂布成型：将步骤一中制备的负极浆料涂布于基体上,涂覆成片状,一次涂布成型，常温环境或者在200℃以下烤箱中进行烘干，制得片状带涂布基体的硅碳复合负极电极；

三、热压制片：将步骤二中制得的片状带涂布基体的硅碳复合负极电极在50-150℃温度下进行热压处理，经过热压处理之后去除涂布基体并按照电池设计尺寸进行分切制片，制得硅碳复合负极电极半成品；

四、碳化处理：将经过步骤三处理制得的硅碳复合负极电极片半成品在非氧化性气氛保护下再在150-800℃温度下碳化成型0.5-10h，制得硅碳复合负极电极半成品；

五、高温煅烧：将经过步骤四碳化处理制得的硅碳复合负极电极半成品在非氧化性气氛保护下再在600～2000℃温度下煅烧1～20h，制备成型硅碳复合负极电极。

作为优选的，所述碳负极材料为碳纤维，碳纤维的粒径分布范围为1um-100um、长径比范围为1:1-1:1000。

作为优选的，所述炭黑导电剂为乙炔黑、Super P、Super S、350G、气相生长炭纤维、碳纳米管和科琴黑中的一种或多种。

作为优选的，所述石墨导电剂为KS-6、KS-15、SFG-6和SFG-15中的一种或多种。