CN106058156A - 一种硅碳材料负极片的制片方法及在高比能锂离子电池中的应用 - Google Patents

一种硅碳材料负极片的制片方法及在高比能锂离子电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种硅碳材料负极片的制片方法及在高比能锂离子电池中的应用，所述制片方法包括浆料制备步骤、涂布步骤、辊压步骤，所述浆料包括碳硅、导电剂、分散剂、粘结剂、去离子水。具有以下优点：解决了硅基材料粘附性差的问题，负极片浆料粘附性好，循环寿命长，用负极片制备的电池具有能量密度高、安全性好的特点。

Description

一种硅碳材料负极片的制片方法及在高比能锂离子电池中的 应用
技术领域
本发明涉及一种硅碳材料负极片的制片方法及在高比能锂离子电池中的应用，属于电池制备技术领域。
背景技术
锂离子电池普遍存在容量低、电池续航里程短的问题，难以满足消费者对电池使用的需求，亟需开发高比能的锂离子电池。影响锂离子电池的关键是材料，目前石墨负极的容量基本已经达到极限，开发新型的负极材料代替石墨迫在眉睫。硅基材料理论容量可达到4200mAh/g，是新一代电池制备首选的负极材料。然而，硅在嵌锂过程存在巨大的体积变化，其体积膨胀高达 300%-400%，硅的粉化致使电极结构失稳失效，进而导致电极结构崩塌和活性材料剥落而使电极失去电接触，电极的容量随之大幅度下降甚至完全失效。普通纯硅，循环稳定性非常差，循环5 次后容量就从3000mA h/g 以上几乎降为零。通过碳包覆等处理的材料，已初步解决了硅基材料的膨胀问题。然而由于硅材料硬、脆，制备成极片后容易出现团聚、掉料、加工性差的问题，限制了硅基在产业化模式下的应用及高比能电池的研发。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的不足，提供一种硅碳材料负极片的制片方法及在高比能锂离子电池中的应用，以实现以下发明目的：
解决了硅基材料粘附性差、掉粉、掉料等的问题，负极片浆料粘附性好，涂布形貌好，循环寿命长，用负极片制备的电池具有能量密度高、循环寿命长、充放电效率高、安全性好等特点。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种硅碳材料负极片的制片方法，所述制片方法包括浆料制备步骤、涂布步骤、辊压步骤。
以下是对上述技术方案的进一步改进：
所述浆料包括碳硅、导电剂、分散剂、粘结剂、去离子水。
所述浆料，在不包括去离子水的情况下，其中碳硅、导电剂、分散剂、粘结剂的质量百分含量为碳硅90%-96%，导电剂1%-3.5%、分散剂2.5%-4%、粘结剂0.5%-2.5%。
所述去离子水与碳硅、导电剂、分散剂、粘结剂的总质量的质量比为5-9:6。
所述分散剂为羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮，使得硅碳材料充分分散，避免产生团聚，所述羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2-5:1。
所述粘结剂为乙烯-丁二烯橡胶。
所述浆料制备步骤，采用分散剂溶解、静置，添加碳硅主粉并搅拌，添加粘结剂逐级溶解的形式进行；
所述分散剂溶解，分散剂溶解过程中需进行温度控制，溶解温度为10-40℃；分散剂溶解后需静置6-24小时。
所述涂布步骤，对浆料用200-300目筛网过筛，并在铜集流体上进行涂布，涂布后用40-60℃、70-90℃、40-60℃度的方式进行梯级升温；所述涂布单面面密度在 6-10 mg/cm2。
所述辊压步骤，待涂布后的浆料干燥后进行辊压，压实密度在0.8-1.6g/cm3。
一种硅碳材料负极片在高比能锂离子电池中的应用，所述硅碳材料负极片用于制备高比能锂离子电池，与负极片匹配的隔膜需为单面或双面涂布陶瓷的隔膜材料，与负极片匹配的正极材料需采用锂片、高容量三元材料和高压尖晶石材料。
采用以上技术方案，本发明的有益效果为：
1、解决了硅基材料粘附性差的问题，制备的硅基材料负极片性能均匀、浆料粘附性好、涂布形貌良好，用负极片制备的电池具有能量密度高、安全性好、循环寿命长的特点。
2、本发明负极片制备的电池，硅碳电池的循环性能得到了很好的提高，20周内循环充放电容量基本都与石墨电池一致，充放电效率都在99%以上。
3、本发明负极片制备的倍率性能得到极大提升，制备的扣式电池，在2C和3C放电时，放电效率为95%和85%,明显高于现有制片技术制备的以硅碳为负极的电池，高于或接近以石墨为负极制备的电池。
4、利用本发明硅碳负极片制备的电池容量、循环、倍率性能都得到了很大提升；宏观表现上，电池的容量和倍率性已明显优于石墨负极。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
附图1 本发明制备的负极片与三元材料匹配制备的纽扣电池循环测试结果；
附图2 本发明制备的负极片与三元材料匹配制备的纽扣电池倍率测试结果。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1 一种硅碳材料负极片的制片方法
步骤1 浆料制备
（1）所述浆料，在不包括去离子水情况下，各原料组分的质量比例为：
碳硅90%、导电剂 3.5%、分散剂4 %、粘结剂2.5 %。
所述浆料还包括去离子水，所述去离子水与以上物质的总质量的质量比为3:2。
所述导电剂为super-P、石墨烯，super-P、石墨烯的质量比为4：3。
所述分散剂为羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮，使得硅碳材料充分分散，避免产生团聚，所述羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为5:1。
所述粘结剂为乙烯-丁二烯橡胶，粘结剂具有破乳作用。
（2）浆料制备方法
浆料制备过程采用溶解分散剂、静置、添加碳硅主粉并搅拌，添加乙烯-丁二烯橡胶逐级溶解的形式进行；
所述分散剂溶解，分散剂添加到去离子水中溶解，分散剂溶解过程中需进行温度控制，溶解温度为10-40℃；
所述静置分散剂溶解后需静置6-24小时，使分散剂支链结构充分伸展，以便于硅碳材料进行充分分散。
步骤2涂布
对上述浆料用200-300目筛网过筛，并在铜集流体上进行涂布，涂布后用40-60℃、70-90℃、40-60℃度的方式进行梯级升温；
所述涂布单面面密度在 6-10 mg/cm2。
步骤3辊压
待涂布后的浆料干燥后进行辊压，辊压过程需严格控制压实密度，保证压实密度在0.8-1.6g/cm3之间。
实施例2 一种硅碳材料负极片的制片方法
步骤1 浆料制备
（1）所述浆料，在不包括去离子水情况下，各原料组分的质量比例为：
碳硅96%、导电剂1%、分散剂2.5%、粘结剂0.5%。
所述浆料还包括去离子水，所述去离子水与以上物质的总质量的质量比为5:6。
所述导电剂为导电剂为super-p、纳米碳管，super-p、纳米碳管的质量比为1：1。
所述分散剂为羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮，所述羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2:1。
所述粘结剂为乙烯-丁二烯橡胶，粘结剂具有破乳作用。
（2）浆料制备方法
浆料制备过程采用溶解分散剂、静置、添加碳硅主粉并搅拌，添加乙烯-丁二烯橡胶逐级溶解的形式进行；
所述分散剂溶解，分散剂添加到去离子水中溶解，分散剂溶解过程中需进行温度控制，溶解温度为10-40℃；
所述静置分散剂溶解后需静置6-24小时，使分散剂支链结构充分伸展，以便于硅碳材料进行充分分散。
步骤2 涂布
对上述浆料用200-300目筛网过筛，并在铜集流体上进行涂布，涂布后用40-60℃、70-90℃、40-60℃度的方式进行梯级升温；
所述涂布单面面密度在 6-10 mg/cm2。
步骤3辊压
待涂布后的浆料干燥后进行辊压，辊压过程需严格控制压实密度，保证压实密度在0.8-1.6g/cm3之间。
实施例3 一种硅碳材料负极片的制片方法
步骤1 浆料制备
（1）所述浆料，在不包括去离子水情况下，各原料组分的质量比例为：
碳硅92%、导电剂3%、分散剂3%、粘结剂2%。
所述浆料还包括去离子水，所述去离子水与以上物质的总质量的质量比为1：1。
所述导电剂为 super-p，ks-6，二者质量比为2:1。
所述分散剂为羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮，所述羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为3:1。
所述粘结剂为乙烯-丁二烯橡胶，粘结剂具有破乳作用。
（2）浆料制备方法
浆料制备过程采用溶解分散剂、静置、添加碳硅主粉并搅拌，添加乙烯-丁二烯橡胶逐级溶解的形式进行；
所述分散剂溶解，分散剂添加到去离子水中溶解，分散剂溶解过程中需进行温度控制，溶解温度为10-40℃；
所述分散剂溶解后需静置6-24小时，使分散剂支链结构充分伸展，以便于硅碳材料进行充分分散。
步骤2 涂布
对上述浆料用200-300目筛网过筛，并在铜集流体上进行涂布，涂布后用40-60℃、70-90℃、40-60℃度的方式进行梯级升温；
所述涂布单面面密度在 6-10 mg/cm2。
步骤3辊压
待涂布后的浆料干燥后进行辊压，辊压过程需严格控制压实密度，保证压实密度在0.8-1.6g/cm3之间。
实施例4一种硅碳材料负极片在高比能锂离子电池中的应用
本方法制备的负极片适合制备高比能锂离子电池，与之匹配所用电解液耐高温、耐高压性能优异，与之匹配的隔膜需为单面或双面涂布陶瓷的隔膜材料，与之匹配的正极材料需采用锂片、高容量三元材料和高压尖晶石材料。
试验结果：
（1）采用传统制片工艺对硅碳负极浆料涂布后出现掉料、露箔等现象，不适合批量应用，而本发明制备的硅碳负极浆料涂布后粘附性好、涂布形貌良好，不易产生掉料、露箔等现象。
（2）传统方式制备的以硅碳为负极的电池循环性能非常差，容量保持率明显低于以石墨材料为负极的电池，本发明制备的电池，硅碳电池的循环性能得到了很好的提高，20周内循环充放电容量基本都与石墨电池一致，充放电效率都在99%以上，具体指标见附图1。
（3）传统方式制备的以硅碳为负极的电池，2C和3C放电时，放电效率仅为87.1%和73.2%，而以石墨为负极的电池而言，2C和3C放电时，其放电效率分别为94.6%和90.4%，故硅碳负极材料的倍率性能比石墨差。
当硅碳负极极片用本发明制备后，其电池倍率的整体变化趋势与用油系制备相似，但放电效率有极大提升，2C和3C放电时，放电效率为95%和85%, 2C放电放电效率已然高于石墨电池，尽管3C放电效率比石墨略低，但放电终止时，放电容量却高于石墨电池，结果表明经用新工艺制备硅碳负极极片后，电池的容量、循环、倍率性能都得到了很大提升，宏观表现上，电池的容量和倍率性已明显优于石墨负极，具体指标见附图2。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述制片方法包括浆料制备步骤、涂布步骤、辊压步骤。
2.根据权利要求1所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述浆料包括碳硅、导电剂、分散剂、粘结剂、去离子水。
3.根据权利要求2所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述浆料，在不包括去离子的情况下，其中碳硅、导电剂、分散剂、粘结剂的质量百分含量为碳硅90%-96%，导电剂1%-3.5%、分散剂2.5%-4%、粘结剂0.5%-2.5%。
4.根据权利要求2所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述去离子水与碳硅、导电剂、分散剂、粘结剂的总质量的质量比为5-9:6。
5.根据权利要求2所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述分散剂为羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮，使得硅碳材料充分分散，避免产生团聚，所述羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2-5:1。
6.根据权利要求2所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述粘结剂为乙烯-丁二烯橡胶。
7.根据权利要求2所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述浆料制备步骤，采用分散剂溶解、静置，添加碳硅主粉并搅拌，添加粘结剂逐级溶解的形式进行；
所述分散剂溶解，分散剂溶解过程中需进行温度控制，溶解温度为10-40℃；分散剂溶解后需静置6-24小时。
8.根据权利要求1所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述涂布步骤，对浆料用200-300目筛网过筛，并在铜集流体上进行涂布，涂布后用40-60℃、70-90℃、40-60℃度的方式进行梯级升温；所述涂布单面面密度在 6-10 mg/cm2。
9.根据权利要求1所述的一种硅碳材料负极片的制片方法，其特征在于：所述辊压步骤，待涂布步骤后的浆料干燥后进行辊压，压实密度在0.8-1.6g/cm3。
10.一种硅碳材料负极片在高比能锂离子电池中的应用，其特征在于：所述硅碳材料负极片用于制备高比能锂离子电池，与负极片匹配的隔膜需为单面或双面涂布陶瓷的隔膜材料，与负极片匹配的正极材料需采用锂片、高容量三元材料和高压尖晶石材料。
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