[发明专利]一种电泳沉积系统及制备锂离子电池硅基负极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到锂离子电池负极材料制备的技术领域，特别涉及到一种制备 锂离子电池用硅基负极材料的方法。

背景技术

锂离子电池于上世纪80年代进入实用化以来，因其具有比能量高、电池电 压高、工作温度范围宽、储存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电 器中，如便携式计算机，照相机，电动工具等。但是随着社会的不断发展，尤 其是电动汽车产业的迅猛发展，研发高能量密度的锂离子电池迫在眉睫。负极 作为锂离子电池的不可或缺的一部分，研发高能量密度的锂离子电池负极也显 得至关重要。

目前商用的锂离子电池负极材料主要为石墨类碳材料，但是石墨类碳材料 的理论比容量仅为372mAh/g，无法满足高能量密度锂离子电池负极的要求。硅 作为一种新兴的锂离子电极负极材料，具有很高的理论比容量(4200mAh/g)， 且其放电平台略高于碳类材料，在冲放电过程中，不易形成锂枝晶，从而提高 了电池的安全性能。但是硅在循环过程中由于体积膨胀收缩剧烈，会造成材料 粉化而失去与导电基底的电化学联结，最终将导致容量的迅速衰减。将硅基材 料进行微纳米尺度处理是抑制体积膨胀、防止粉化的有效途径，另外，将硅材 料覆碳再与石墨烯复合，可以减少材料的粉化，有利于提高硅基负极的循环性 能。但微纳米尺度处理后的硅基材料比表面积大，均匀分散及其困难。专利 CN103050672A发明了一种采用抽滤的方法制备出石墨烯-硅复合电极，但是工 艺过程繁琐，不利于商业化，且电极的循环性能不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电泳沉积系统，为卷对卷连续式操作系统，利 用该系统制备锂离子电池硅基负极材料，工艺流程简单，机械化程度高，适用 于工业的大批量生产。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种电泳沉积系统，为卷对卷连续式操作系统，包括电泳电沉积系统、分 别与电泳电沉积系统相连通的供料系统和材料回收系统，以及电控系统，其中

供料系统，提供电泳液；

电泳电沉积系统，包括沉积池，在所述沉积池上设有放卷口和收卷口，所 述放卷口和收卷口设有滑轮，所述滑轮用于传送铜箔基材，所述铜箔基材为工 作电极，连接电源正极；

材料回收系统，回收电泳沉积完成后的电泳液；

电控系统，连接控制电泳电沉积系统的运转。

优选的，所述电泳沉积系统还设有两个隔离对称的方形对电极，连接电源 负极；所述放卷口和收卷口的滑轮转动带动铜箔基材通过两个方形对电极之间。

优选的，所述电源正极为柱状滚轮，所述电泳电沉积系统还设有与电源正 极相对称的U形凹槽结构的对电极，连接电源负极。

优选的，所述铜箔基材卷绕电源正极的柱状滚轮连接放卷口和收卷口设有 滑轮，所述滑轮与柱状滚轮的转动方向一致，并带动铜箔基材的转动。

本发明还提供一种利用上述电泳沉积系统制备锂离子电池硅基负极材料的 方法，包括如下：

1)打开电控系统，驱动电泳沉积池上的滑轮，放卷铜箔基材至于电泳池中；

2)打开供料系统使电泳液进入电泳沉积池，其中电泳液为纳米硅材料、碳 材料、覆碳前驱体和分散剂置于分散介质中均匀分散成；开启电源，进行电泳 沉积，在铜箔基材上得到硅-碳复合材料；关闭电源，材料回收系统回收电泳液， 驱动滑轮收卷已沉积硅-碳复合材料的铜箔基材，铜箔基材相对位移，新的铜箔 基材位移至沉积池中；

3)打开供料系统使电泳液进入电泳沉积池，重复2)的操作，使一定量的 铜箔基材上都沉积得到硅-碳复合材料；

4)将硅-碳复合材料从铜箔基材上剥离进行干燥处理，再将干燥的硅-碳复 合材料于惰性气氛中碳化处理，得到锂离子电池用硅-碳负极材料。

优选的，所述纳米硅材料包括纯的纳米硅或者纳米氧化硅，优选为纳米硅， 其直径为10-2000nm。

优选的，所述碳材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、纳米碳球、石墨烯或者 氧化石墨烯，优选为氧化石墨烯。

优选的，所述覆碳前驱体为可溶于分散介质且于惰性气氛中高温煅烧后有 一定残碳的聚合物，包括葡萄糖、聚氧乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、酚醛树脂 或者环氧树脂中的至少一种，优选为聚乙二醇。