CN104681785A - 锂离子电池负极涂覆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型纳米材料在锂离子二次电池中的应用领域，具体为纳米硅粉和碳纤维材料在锂离子电池负极中的应用。本发明采用的技术方案是：一种锂离子电池负极涂覆材料，包括石墨、导电剂、粘结剂、增稠剂、溶剂和分散剂，其特征是，还包括纳米硅粉和碳纤维，导电剂占总固体重量的0%-3%，分散剂加入量占总固体质量分数的2%-10%，纳米硅粉占总固体量的2%-20%，碳纤维占纳米硅粉重量的20-80%，所述纳米硅粉中值粒径D50范围介于10-1000nm之间，所述碳纤维中直粒径径D50介于10-200nm之间。

Description

锂离子电池负极涂覆材料及其制备方法

技术领域

本专利属于新型纳米材料在锂离子二次电池中的应用领域，具体为纳米硅粉和碳纤维材料在锂离子电池负极中的应用。

背景技术

传统锂离子电池负极材料主要由石墨组成，其理论比容量只能达到372mAh/g。随着智能手机及电动汽车的发展，选用新型材料制作更高比容量的电池越来越受到关注。硅材料作为锂离子电池新型负极材料，近年来逐渐成为大家研究的热点。硅嵌锂反应中，一个硅原子可以结合四个锂离子，其理论比容量可达到4200mAh/g。

另外，传统石墨负极的嵌锂平台电势与金属锂平台电势非常接近，当锂离子电池循环过程中因内阻增大而导致充电极化过大或过充电时，很容易在负极上出现析锂现象，造成电池循环性能下降和安全性能降低现象。硅作为负极材料其平台电势比金属锂高出大概0.2V，在电池充电过程中负极上不易出现析锂现象，与石墨材料相比较具有更好的安全性能。碳纤维具有强度高、导电性优良、导热性良好等特点，由于其具有纤长的纤维状结构，与纳米硅粉同时添加到负极中，可与石墨、纳米硅粉导电剂等各组份相互缠绕，起到加固负极材料、增加导电性的作用，两者协同配合，提高了电池的容量和循环性能。

发明内容

本专利的目的是提供一种锂离子电池负极涂覆材料及其制备方法，以提高电池容量、改善电池循环寿命。

为实现上述目的，本专利采用的技术方案是：一种锂离子电池负极涂覆材料，包括石墨、导电剂、粘结剂、增稠剂、溶剂和分散剂，其特征是，还包括纳米硅粉和碳纤维，导电剂占总固体重量的0%-3%，分散剂加入量占总固体质量分数的2%-10%，纳米硅粉占总固体量的2%-20%，碳纤维占纳米硅粉重量的20-80%，所述纳米硅粉中值粒径D50范围介于10-1000nm之间，所述碳纤维中直粒径径D50介于10-200nm之间。

所述碳纤维为中空或实心结构。

所述碳纤维的中空结构为单层中空或多层中空。

所述石墨材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球中的一种或其混合物。

所述纳米硅粉粒径介于30-100nm之间。

导电剂为super-P、石墨导电剂、科琴黑中的一种。

所述溶剂为去离子水、粘结剂为丁苯橡胶，增稠剂为羧甲基纤维素钠。

所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮时，粘结剂为聚偏氟乙烯。

所述分散剂为乙二醇或丙三醇。

制备步骤：以去离子水为溶剂，将增稠剂羧甲基纤维素钠用搅拌机溶解均匀；

将溶解后的羧甲基纤维素钠倒入球磨机中，加入super-P，球磨分散1小时；

加入天然石墨，球磨分散2小时；

加入分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将纳米硅粉和碳纤维加入混合液体中继续分散1小时；

加入丁苯橡胶，球磨分散1小时，调节浆料粘度到合理范围，出料。

纳米硅粉具有高容量的特点，但在电池充放电过程中伴随着很大的体积变化，容易导致负极物料从集流体脱落，影响循环寿命。本专利运用球磨方式配料，并配合使用分散剂，将纳米硅粉和碳纤维按比例添加到锂离子电池负极之中，利用碳纤维具有强度高、导电性优良、导热性良好，以及其具有的纤维状结构特点，使其与石墨、纳米硅粉导电剂等各组份相互缠绕，起到加固负极材料、增加导电性的作用。从而提高电池容量、改善电池循环寿命。

具体实施方式

以圆柱型18650锂离子电池为例，在负极配料时按本专利所提供的比例及配料方法添加纳米硅粉和碳纤维，对比说明其对锂离子电池容量及循环性能改善。电池设计中，按钢壳填充率95%计算正负极片长度，实施例与比较例为负极配料方式及配比举例。

实施例

 以去离子水为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的增稠剂羧甲基纤维素钠用搅拌机溶解均匀。

 将溶解后的羧甲基纤维素钠倒入球磨机中，加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。

 加入占固体质量分数82.5%的天然石墨，球磨分散2小时。

 加入占固体质量分数5%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占固体质量分数5%的纳米硅粉和占质量分数2%碳纤维加入混合液体中继续分散1小时；

 加入占固体质量分数3%的丁苯橡胶，球磨分散1小时，调节浆料粘度到合理范围，出料。

比较例1

 以去离子水为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的增稠剂羧甲基纤维素钠用搅拌机溶解均匀。

 将溶解后的羧甲基纤维素钠倒入球磨机中，加入占固体质量分数3%的super-P，球磨分散1小时。

 加入占固体质量分数82.5%的天然石墨，球磨分散2小时。

 加入占固体质量分数5%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占固体质量分数5%的纳米硅粉加入混合液体中继续分散1小时；

 加入占固体质量分数3%的丁苯橡胶，球磨分散1小时，调节浆料粘度到合理范围，出料。

比较例2

 以去离子水为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的增稠剂羧甲基纤维素钠用搅拌机溶解均匀。

 将溶解后的羧甲基纤维素钠倒入球磨机中，加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。

 加入占固体质量分数92.5%的天然石墨，球磨分散2小时。

 加入占固体质量分数5%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占质量分数2%碳纤维加入混合液体中继续分散1小时；

 加入占固体质量分数3%的丁苯橡胶，球磨分散1小时，调节浆料粘度到合理范围，出料。

比较例3

 以去离子水为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的增稠剂羧甲基纤维素钠用搅拌机溶解均匀。

 将溶解后的羧甲基纤维素钠倒入球磨机中，加入占固体质量分数3%的super-P，球磨分散1小时。

 加入占固体质量分数92.5%的天然石墨，球磨分散2小时。

加入占固体质量分数3%的丁苯橡胶，球磨分散1小时，调节浆料粘度到合理范围，出料。

由比较例和实施例方法制备的浆料制作锂离子电池负极片，并装配电池，其容量、首次效率和容量保持率80%时的循环次数列于表1

表1

	电池容量/mAh	首次效率/%	循环次数/次
				实施例	2387	92.4	776
比较例1	2362	90.5	384
				比较例2	2238	89.1	670
比较例3	2215	88.2	583

对比比较例1和比较例3可发现，在负极中添加纳米硅粉可有效提高电池容量，但循环性能下降较为显著，这可能是由于电池充放电过程中纳米硅粉体积变化较大，导致负极材料结构松散脱落，影响电池循环性能；对比比较例2和比较例3可发现，负极中仅添加碳纤维时可提高电池循环性能，但电池容量提升不大；对比实施例和比较例1、实施例3可发现，电池负极中同时添加纳米硅粉和碳纤维不但可以显著提高电池容量，其循环性能也得到较大提升。原因在于碳纤维具有的纤维状结构特点，使其与石墨、纳米硅粉、导电剂等各组份相互缠绕，起到加固负极材料、增加导电性的作用，从而提高了电池容量、改善了电池的循环寿命。

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极涂覆材料，包括固体的石墨、导电剂、粘结剂、增稠剂和液体的分散剂与溶剂，其特征是，还包括纳米硅粉和碳纤维，导电剂占总固体重量的0%-3%，分散剂加入量占总固体质量分数的2%-10%，纳米硅粉占总固体量的2%-20%，碳纤维占纳米硅粉重量的20-80%，所述纳米硅粉中值粒径D50范围介于10-1000nm之间，所述碳纤维中直粒径径D50介于10-200nm之间。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述碳纤维为中空或实心结构。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述碳纤维的中空结构为单层中空或多层中空。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述石墨材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球中的一种或其混合物。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述纳米硅粉粒径介于30-100nm之间。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述，导电剂为super-P、石墨导电剂、科琴黑中的一种。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述溶剂为去离子水，   粘结剂为丁苯橡胶，增稠剂为羧甲基纤维素钠。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮，粘结剂为聚偏氟乙烯。

9.根据权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料，其特征是，所述分散剂为乙二醇或丙三醇。

10.一种制备权利要求1所述的锂离子电池负极涂覆材料的方法，其特征是，

以去离子水为溶剂，将增稠剂羧甲基纤维素钠用搅拌机溶解均匀；

将溶解后的羧甲基纤维素钠倒入球磨机中，加入super-P，球磨分散1小时；

加入天然石墨，球磨分散2小时；

加入分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将纳米硅粉和碳纤维加入混合液体中继续分散1小时；

加入丁苯橡胶，球磨分散1小时，调节浆料粘度到合理范围，出料。