[发明专利]一种硼酸化合物修饰锂离子电池硅负极及其制备方法

说明书

本发明涉及本一种硼酸化合物修饰锂离子电池硅负极，它通过向硅基纳米材料和导电剂的混合物中加入粘结剂和硼酸化合物进行混合制得；所述粘结剂为含羟基水溶性高分子，所述硼酸化合物为选自硼酸、硼砂和有机硼化物中的一种或多种组成的混合物，所述硼酸化合物中硼元素与所述粘结剂中羟基的摩尔比为0.02~0.2。通过选用具有特定化学结构和性能的硼酸化合物剂作为交联剂和表面成膜剂，与粘结剂体系混合使用，由于B元素的缺电子特性，硼酸化合物可以和羟基结合并脱水，形成比较牢固的化学配合物，在粘结剂分子链之间的交联和架桥，从而显著提高粘结剂的强度，改善粘结剂的粘结性能以及硅粉体表面和粘结剂的界面特性。

技术领域

本发明属于锂电池负极领域，具体涉及一种硼酸化合物修饰锂离子电池硅负极及其制备方法。

背景技术

高比能锂离子电池对解决未来车用电源和规模化储能非常关键，硅基负极材料(包括纯硅负极材料和硅碳复合负极材料)具有比容量高(4200mAh/g)、材料丰富、价格低廉等优点，是发展高比能锂离子电池的关键负极材料的重要选择，近年来得到了广泛的研究和开发。然而硅基负极材料在嵌脱锂过程中会产生巨大的体积变化，体积膨胀超过300％，如此巨大的体积变化一方面会导致纳米硅颗粒本身的团聚，更会导致其表面的固体电解质相界面膜(SEI)的不断破坏和重整，造成电池内部巨大的锂消耗，使得硅基负极一直存在电极容量衰减快、循环性能差等突出问题。

纳米化一直是解决硅材料巨大体积效应的重要途径。近年来，许多硅纳米材料包括硅纳米线、纳米棒、纳米管、纳米球、硅碳复合物等先后合成和报道出来，通过这些制备和修饰技术有效提高了硅基负极材料的电化学循环性能。然而，需要指出的是，纳米化同时也会带来其它一系列问题：包括材料的比表面高导致电极表面SEI膜形成过程中的副反应强烈，电极首次库伦效率下降和电池长期循环过程中的锂消耗严重。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种硼酸化合物修饰锂离子电池硅负极。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种硼酸化合物修饰锂离子电池硅负极，它通过向硅基纳米材料和导电剂的混合物中加入粘结剂和硼酸化合物进行混合制得；所述粘结剂为含羟基水溶性高分子，所述硼酸化合物为选自硼酸、硼砂和有机硼化物中的一种或多种组成的混合物，所述硼酸化合物中硼元素与所述粘结剂中羟基的摩尔比为0.02～0.2。

优化地，所述有机硼化物包括苯硼酸、乙基苯硼酸、乙烯基苯硼酸、羧基苯硼酸、羧基乙烯基苯硼酸和丙烯酰胺基苯硼酸。

优化地，所述硅基纳米材料、导电剂和粘结剂的质量百分含量分别为70～90％、5～25％和2～5％。

优化地，所述硅基纳米材料为纳米硅粉体或硅-碳复合粉体。

优化地，所述粘结剂为聚乙烯醇或/和聚乙二醇。

优化地，所述导电剂为选自导电炭黑、碳纳米管、碳纤维和导电石墨烯中的一种或几种组成的混合物。

本发明的又一目的在于提供一种上述硼酸化合物修饰锂离子电池硅负极的制备方法，它包括以下步骤：

(a)使所述粘结剂溶于去离子水中形成质量浓度为1～10wt％的粘结剂水溶液；

(b)向所述粘结剂水溶液中加入硼酸化合物，于30～80℃搅拌1～20h以进行交联反应；

(c)向步骤(b)的产物中加入所述硅基纳米材料和所述导电剂，进行搅拌得电极浆料；

(d)将所述电极浆料过滤后，涂铺在集流体上，干燥即可。

优化地，步骤(a)中，所述粘结剂在80～95℃的温度下溶于去离子水中。

本发明硼酸化合物修饰锂离子电池硅负极，通过选用具有特定化学结构和性能的硼酸化合物剂作为交联剂和表面成膜剂，与粘结剂体系混合使用，它与现有技术相比具有下列优点：