CN106450165A - 一种制备免支撑离子电池电极材料的方法 - Google Patents

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江婉薇
王维
付宏俊
买巍
单明景
李宝东
刘梁森
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Abstract

一种制备免支撑离子电池电极材料的方法。本发明采用相转化法制备含有活性物质的纳米多孔聚合物膜，将膜干燥碳化作为免支撑离子电池电极，具体步骤如下：(1)按质量比将活性物质与溶剂混合均匀，然后将聚合物、添加剂按一定比例加到上述混合液中搅拌，脱泡后得到含活性物质的铸膜液。(2)将上述步骤中的铸膜液用于刮膜，进行相转化，并用去离子水洗涤。(3)将上述制得的膜干燥、碳化、压片、裁片制备成电极。此方法制备得到的电极优势在于多孔结构有利于电解液的浸润，从而使得电极内阻减少，电解液的热传递作用提高；聚合物对活性物质有包覆作用，有利于缓冲和限制电极体积膨胀；电极中非活性物质体积的减少，有利于提高电极的比容量。

Description

一种制备免支撑离子电池电极材料的方法
技术领域
本发明属于电化学和新能源领域，涉及一种制备免支撑离子电池电极材料的方法。
背景技术
传统的锂离子电池电极由四部分组成：金属集流体、电化学活性材料、导电剂和粘结剂。其中，集流体、导电剂、粘结剂等非电极活性成分占整个电极重量的40％以上，而对电化学储能性能贡献甚微，使活性物质在电极中的比例降低，削弱了电极的比容量；不导电的粘结剂导致电极中形成大量“死体积”、阻断电子的传输和电解液向电极材料表面扩散，不但浪费体积而且降低活性物质的利用效率。因此，为了提高电池的能量密度，研究者们尝试制备免支撑离子电池电极。一方面，免支撑电池电极减少粘结剂与电解液发生反应，可以提高库伦效率；另一方面，此方法得到的电极碳化后导电性增加以及活性物质的含量易于控制，有利于促进离子和电子的运输，改善电池的储锂容量和倍率性能。目前已有报道用静电纺和CVD沉积的方法制备免支撑电极。其中，静电纺丝制备免支撑电极的方法需要在高压静电装置下进行纺丝，能耗较高；而CVD方法制备电极的成本比较高，实验条件严格，实验步骤繁杂，并且电极尺寸有限，不适合大批量生产。
针对上述方法的不足，我们提出采用相转化法来制备免支撑离子电池电极材料，即铸膜液与活性物质共混刮膜，相转化去除溶剂后，铸膜液从一个连续相的高分子溶液转变成高分子连续相的一个三维大分子网络式凝胶，并在此过程中形成纳米多孔结构，经干燥碳化、压片、裁片后制成电极。此方法制备的免支撑电极的优势在于减少了非活性物质的比例，有利于提高电池电极的比容量；电极材料为纳米多孔结构，有利于电解液的浸润，减少电极的内阻，提高电解液的热传递；聚合物对活性物质有包覆作用，可以缓冲和限制的活性物质体积膨胀。该方法工艺简单，可以制备材料的尺寸可控，适合大批量生产。
发明内容
本发明为一种制备免支撑离子电池电极材料的方法。该方法采用相转化制备含活性物质的纳米多孔聚合物膜，将膜干燥碳化后即可作为免支撑离子电池电极，具体步骤如下：
1、按一定质量比将活性物质与溶剂混合均匀分散，然后将聚合物、添加剂按一定比例加到上述混合液中，在适当的温度下搅拌均匀，静置或真空脱泡后得到含活性物质的铸膜液。
上述的活性物质包括锡基材料(锡的氧化物、锡的硫化物等)、硅基材料、过渡金属氧化物、金属硫化物等，可为其中的一种或多种，上述活性物质在铸膜液中的含量为1％～10％；上述的溶剂为二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种；上述的聚合物为聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯醇中的一种或多种，在铸膜液中的含量为10％～20％；上述的添加剂包括聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，在铸膜液中添加剂的用量为0.5％～2％。上述的适当温度范围为40～80℃。
2、将上述步骤中得到的铸膜液用于刮膜，然后在水中浸泡进行相转化，取出后用去离子水洗涤，充分洗去膜孔内溶剂。
3、将上述制得的膜干燥、碳化、压片、裁片制备成电池电极。
上述的碳化温度范围为400℃～1000℃，碳化时间为2～6h，升温速率1～10℃/min。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的一种制备免支撑离子电池电极材料的方法进行详细的说明。
实施例1：
1、将2.5g的SnO2分散于42.5gN，N-二甲基乙酰胺中超声、搅拌直到分散均匀，然后再加入4.5g聚丙烯腈和0.5g聚乙烯吡咯烷酮，50℃的水浴中热搅拌24h，搅拌均匀后静置脱泡。
2、将上述步骤中得到的铸膜液在洁净玻璃板上刮膜，然后将膜放在水中进行相转化，接着用去离子水进行洗涤，充分洗去膜孔内溶剂。
3、将上述制得的膜冷冻干燥，800℃条件下碳化4h，升温速率为5℃/min、压片、裁片制备成电池电极。
实施例2：
1、将4.5g的Si纳米颗粒分散于40g的二甲基甲酰胺中超声、搅拌直到分散均匀，然后加入4.5g聚酰亚胺和1g的聚乙二醇，40℃的水浴中搅拌26h直至均匀，在真空的环境中进行脱泡。
2、将上述步骤中得到的铸膜液在洁净玻璃板上刮膜，然后将膜放在水中进行相转化，接着用去离子水进行洗涤，充分洗去膜孔内溶剂。
3、将上述制得的膜真空干燥，700℃条件下碳化4h，升温速率为5℃/min、适当压片、裁片制备成电池电极。
实施例3：
1、将5g的Fe3O4分散于38g N-甲基吡咯烷酮中超声、搅拌直到分散均匀，然后加入6g聚乙烯醇和1g聚乙烯吡咯烷酮，60℃的水浴锅中搅拌22h，均匀后静置脱泡。
2、将上述步骤中得到的铸膜液在洁净玻璃板上刮膜，然后将膜放在水中进行相转化，接着用去离子水进行洗涤，充分洗去膜孔内溶剂。
3、将上述制得的膜真空干燥，1000℃条件下碳化4h，升温速率为5℃/min，压片、裁片制备成电池电极。

Claims (4)

1.一种制备免支撑离子电池电极材料的方法。本发明采用相转化法制备含活性物质的纳米多孔聚合物膜，将膜干燥碳化后即可作为免支撑离子电池电极，具体方法按照以下步骤完成：
(1)按一定质量比将活性物质与溶剂混合均匀分散，然后将聚合物、添加剂按一定比例加到上述混合液中，在适当的温度下搅拌均匀，静置或真空脱泡后得到含活性物质的铸膜液。
(2)将上述步骤中得到的铸膜液用于刮膜，然后将膜进行相转化，接着用去离子水洗涤，充分洗去膜孔内溶剂。
(3)将上述制得的膜干燥、碳化、压片、裁片制备成电池电极。
2.根据权利要求1中所述的一种制备免支撑离子电池电极材料的方法，其特征在于：步骤(1)中的活性物质包括锡基材料(锡的氧化物、锡的硫化物等)、硅基材料、过渡金属氧化物、金属硫化物等，可以为其中的一种或多种，上述活性物质在铸膜液中的含量为1％～10％；聚合物为聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯醇中的一种或多种，其中铸膜液中聚合物的用量为10％～20％；溶剂为二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种；添加剂为聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，铸膜液中添加剂的用量为0.5％～2％。
3.根据权利要求1中所述的一种制备免支撑离子电池电极材料的方法，其特征在于：步骤(1)中的适合温度范围为40～80℃。
4.根据权利要求1中所述的一种制备免支撑离子电池电极材料的方法，其特征在于：步骤(3)中的碳化的温度为400℃～1000℃，碳化时间为2～6h，升温速率1～10℃/min。
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