CN109686937A - 一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料及制备方法。将铜、铝、硅酸洗后真空烘干，接着加入高温炉中，升温混合得到铜‑铝‑硅合金，采用激光切割得到合金薄膜，接着将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸的混合物热喷涂敷于合金薄膜表面，烘干、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。该方法通过利用激光切割技术，制得铜‑铝‑硅合金薄膜，再将石墨负极材料涂覆在铜‑铝‑硅合金薄膜上，使得碳和硅合理结合，合金材料存在大量气孔、缩孔、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，可减少体积膨胀，延长了负极材料的循环寿命，并且所得负极材料的比容量高，循环性能好。

Description

一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料及制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池领域，具体涉及负极材料的制备，特别是涉及一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料及制备方法。
背景技术
锂电池作为电池的一种，因其电压平台高、能量密集度高，相对铅酸电池，同等电压平台时锂电池体积只有铅酸电池1/6~1/5。因其使用寿命较长、绿色环保的优点而广受人们欢迎，广泛应用于信息、电讯及动力产业。作为锂电池的四大关键材料之一，负极材料技术与市场均较为成熟，现阶段负极材料研究的主要方向如下：石墨化碳材料、无定型碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金和其他材料。
目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。其中，最常见的商业锂电池负极材料主要是碳类和硅碳类材料，硅碳类材料是对碳类材料的革新，在碳类材料中加入3~15%的硅，使负极材料的比容量达到420mAh/g左右，作为负极材料可以大幅度提高电池的能量密度，但其循环寿命和循环效率远比碳材料要差，硅的导电性差是其循环效率低的原因之一，硅的比表面积越大，其循环效率也会越低。如何有效解决硅负极材料的循环寿命短和循环效率低问题成为锂电池硅碳负极材料发展的重大难题，至今没有可行的技术方案。
中国发明专利申请号201611211693.4公开了一种高结合度锂电池碳硅负极材料的制备方法，首先将洗净的稻壳进行干燥，冷却至室温后将其球磨得稻壳粉末，将其置于真空热解装置中，并通氮气来排除空气，随后抽真空，对热解炉升温后冷却，得热解稻壳灰，接着将其与盐酸溶液混合，在超声波分散、过滤，收集滤饼，并与氢氧化钠搅拌混合，在超声波下分散地混合分散液，与盐酸、十二烷基苯磺酸钠置于烧杯中，搅拌混合后离心，收集下层沉淀并置于马弗炉中，通氩气排除空气，煅烧后冷却，并将煅烧混合物进行球磨，得高结合度锂电池碳硅负极材料。
中国发明专利申请号201410428698.7公开了一种硅碳复合负极材料，由核、壳两部分组成，壳包覆于所述核的外表面，核包括第一碳材料，呈球形或类球形，壳包括第二碳材料和第三碳材料，核、壳两部分的质量比为1~20:1，这样的核壳结构具有良好的电接触性和循环性能。
中国发明专利申请号201710922743.8公开了一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料及其制备方法，采用的技术方案为：一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料，由以下重量份原料构成：硅42~46份，铜50~58份，铝5~15份，杂质0~3份。
中国发明专利申请号201710646145.2公开了一种硅碳复合材料、制备方法和应用及锂离子电池负极材料，涉及锂离子电池用负极材料技术领域，该硅碳复合材料，包括三维碳材料，三维碳材料表面包覆有硅薄膜。
根据上述，现有方案中用于锂电池的硅负极材料，存在循环效率低，并且在充放电过程中容易膨胀，导致循环寿命较短。
发明内容
针对目前应用较广的锂电池的硅负极材料，存在循环效率低，在充放电过程中容易膨胀，导致循环寿命较短等问题，而现有硅碳复合材料的实际应用效果差，本发明提出一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料及制备方法，从而有效提高了负极材料的循环性能，并且可有效抵消充放电过程中的体积膨胀问题，延长了负极材料的循环寿命。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铜、铝、硅分别进行酸洗，接着真空烘干，得到预处理的铜、铝、硅；
（2）将步骤（1）得到的预处理的铜、铝、硅按一定顺序加入高温炉中，升温混合，使铜-铝-硅合金混合完全，得到铜-铝-硅合金；
（3）将步骤（2）得到的铜-铝-硅合金置于真空环境下待下降至室温，接着用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割，得到合金薄膜；
（4）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，研磨混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；
（5）将步骤（4）得到的负极材料混合物加热熔融，接着均匀涂覆于步骤（3）制得的合金薄膜上，烘干、碾压、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
优选的，步骤（1）所述酸洗采用质量浓度为20~30%的硫酸溶液、盐酸溶液中的一种，酸洗次数为3~5次。
优选的，步骤（1）所述真空烘干的温度为80~90℃，时间为16~18h。
优选的，步骤（2）所述预处理的铜、铝、硅的加入质量比为：铜、硅、铝=52~56:40~45:8~12。
优选的，步骤（2）所述铜、硅、铝的加入方式为，先加入硅总质量45~55%的硅，接着加入全部铜和全部铝最后加入剩余的硅。
优选的，步骤（2）所述升温混合的温度为1400~1500℃，时间为4~6h。
优选的，步骤（3）所述激光切割的激光波长为10~15μm，激光功率为60~100W。切割厚度为100-200μm。
优选的，步骤（4）所述负极材料混合物中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例88~93:2~4:5~8。
优选的，步骤（5）中所述所述热熔喷涂采用1-2MPa压力、80-100℃热气流使混合物粉快速软化均匀涂敷在切割的合金薄膜，采用合金薄膜两面均涂敷，单面涂覆厚度100-150微米。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。将铝、铜、硅用酸洗加真空烘干预处理，再放入高温炉中，先加部分硅，再将铜和铝加入，再把剩余硅加入，开始加热，使铜-铝-硅合金混合完全；混合完全后，置于真空下降至室温，用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割成薄膜；将聚乳酸和鳞片石墨和乙炔黑，在真空搅拌机中研磨混合均匀后过筛，得到混合物；将混合物热喷涂在所得的合金薄膜上，烘干、碾压、分条、制片，得到产品。
本发明提供了一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出利用激光切割工艺制备薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的方法。
2、通过利用激光切割技术，制得铜-铝-硅合金薄膜，再将石墨负极材料涂覆在铜-铝-硅合金薄膜上，使得碳和硅合理结合，所得负极材料的比容量高，循环性能好。
3、通过制得的合金材料，存在大量气孔、缩孔、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，可部分抵消硅在充放电过程中的体积膨胀，延长了负极材料的循环寿命。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
制备过程为：
（1）将铜、铝、硅分别进行酸洗，接着真空烘干，得到预处理的铜、铝、硅；酸洗采用质量浓度为24%的硫酸溶液，酸洗次数为4次；真空烘干的温度为86℃，时间为17h；
（2）将步骤（1）得到的预处理的铜、铝、硅按质量比为53:43:11，按先加入48%的硅，接着加入铜、铝，最后加入剩余的硅的顺序加入高温炉中，升温混合，使铜-铝-硅合金混合完全，得到铜-铝-硅合金；升温混合的温度为1460℃，时间为5h；
（3）将步骤（2）得到的铜、铝、硅合金置于真空环境下待降至室温，接着用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割，得到合金薄膜；激光切割的激光波长为13μm，激光功率为70W；切割厚度为200μm。
（4）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；其中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例90:3:7；
（5）将步骤（4）得到的负极材料混合物采用热熔喷涂2MPa压力、100℃热气流使混合物粉快速软化均匀涂敷在切割的合金薄膜，采用合金薄膜两面均涂敷，单面涂覆厚度100微米，烘干、碾压、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
实施例2
制备过程为：
（1）将铜、铝、硅分别进行酸洗，接着真空烘干，得到预处理的铜、铝、硅；酸洗采用质量浓度为22%的盐酸溶液，酸洗次数为5次；真空烘干的温度为83℃，时间为17.5h；
（2）将步骤（1）得到的预处理的铜、铝、硅按质量比为53:42:9，按先加入48%的硅，接着加入铜、铝，最后加入剩余的硅的顺序加入高温炉中，升温混合，使铜-铝-硅合金混合完全，得到铜-铝-硅合金；升温混合的温度为1420℃，时间为5.5h；
（3）将步骤（2）得到的铜、铝、硅合金置于真空环境下待降至室温，接着用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割，得到合金薄膜；激光切割的激光波长为11μm，激光功率为70W；切割厚度为200μm。
（4）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；其中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例91:3:6；
（5）将步骤（4）得到的负极材料混合物采用热熔喷涂2MPa压力、100℃热气流使混合物粉快速软化均匀涂敷在切割的合金薄膜，采用合金薄膜两面均涂敷，单面涂覆厚度100微米，烘干、碾压、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
实施例3
制备过程为：
（1）将铜、铝、硅分别进行酸洗，接着真空烘干，得到预处理的铜、铝、硅；酸洗采用质量浓度为27%的硫酸溶液，酸洗次数为3次；真空烘干的温度为88℃，时间为16.5h；
（2）将步骤（1）得到的预处理的铜、铝、硅按质量比为55:44:11，按先加入52%的硅，接着加入铜、铝，最后加入剩余的硅的顺序加入高温炉中，升温混合，使铜-铝-硅合金混合完全，得到铜-铝-硅合金；升温混合的温度为1480℃，时间为4.5h；
（3）将步骤（2）得到的铜、铝、硅合金置于真空环境下待降至室温，接着用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割，得到合金薄膜；激光切割的激光波长为14μm，激光功率为90W；切割厚度为200μm。
（4）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；其中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例89: 4:7；
（5）将步骤（4）得到的负极材料混合物采用热熔喷涂1MPa压力、100℃热气流使混合物粉快速软化均匀涂敷在切割的合金薄膜，采用合金薄膜两面均涂敷，单面涂覆厚度100微米，烘干、碾压、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
实施例4
制备过程为：
（1）将铜、铝、硅分别进行酸洗，接着真空烘干，得到预处理的铜、铝、硅；酸洗采用质量浓度为20%的盐酸溶液，酸洗次数为5次；真空烘干的温度为80℃，时间为18h；
（2）将步骤（1）得到的预处理的铜、铝、硅按质量比为52:40:8，按先加入45%的硅，接着加入铜、铝，最后加入剩余的硅的顺序加入高温炉中，升温混合，使铜-铝-硅合金混合完全，得到铜-铝-硅合金；升温混合的温度为1400℃，时间为6h；
（3）将步骤（2）得到的铜、铝、硅合金置于真空环境下待降至室温，接着用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割，得到合金薄膜；激光切割的激光波长为10μm，激光功率为60W；切割厚度为200μm。
（4）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；其中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例88: 4: 8；
（5）将步骤（4）得到的负极材料混合物采用热熔喷涂1MPa压力、100℃热气流使混合物粉快速软化均匀涂敷在切割的合金薄膜，采用合金薄膜两面均涂敷，单面涂覆厚度100微米，烘干、碾压、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
实施例5
制备过程为：
（1）将铜、铝、硅分别进行酸洗，接着真空烘干，得到预处理的铜、铝、硅；酸洗采用质量浓度为30%的硫酸溶液，酸洗次数为3次；真空烘干的温度为90℃，时间为16h；
（2）将步骤（1）得到的预处理的铜、铝、硅按质量比为56:45:12，按先加入55%的硅，接着加入铜、铝，最后加入剩余的硅的顺序加入高温炉中，升温混合，使铜-铝-硅合金混合完全，得到铜-铝-硅合金；升温混合的温度为1500℃，时间为4h；
（3）将步骤（2）得到的铜、铝、硅合金置于真空环境下待降至室温，接着用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割，得到合金薄膜；激光切割的激光波长为15μm，激光功率为100W；切割厚度为200μm。
（4）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；其中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例93:2:5；
（5）将步骤（4）得到的负极材料混合物采用热熔喷涂2MPa压力、90℃热气流使混合物粉快速软化均匀涂敷在切割的合金薄膜，采用合金薄膜两面均涂敷，单面涂覆厚度100微米，烘干、碾压、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
对比例1
制备过程为：
（1）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；其中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例91:3:6；
（2）将步骤（1）得到的负极材料混合物加热熔融，加热熔融的温度为1700℃，时间为5h；接着均匀涂覆于硅片上，烘干、碾压、分条、制片，即得负极材料。
测试方法：
制得的负极材料电极片，在充满氩气的手套箱中进行电池装配，以金属锂为对电极，电解液为1mol/L的LiPF6/EC:DMC（1:1，Vol），隔膜采用UBE3025隔膜，复合电极端加入发泡镍片作为填充物，得到扣式电池，在LAND电池测试系统进行恒电流充放电循环试验，电流密度为0.5A/cm2，充放电截止电压范围设置为0.5~1.5V，测得初始比容量和初始体积，以及充放电循环50次、100次时的体积膨胀率。
通过上述方法测得的对比例1的碳硅负极材料的充放电循环试验比容量、体积膨胀率如表1所示。
表1：

Claims (10)

1.一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将铜、铝、硅分别进行酸洗，接着真空烘干，得到预处理的铜、铝、硅；
（2）将步骤（1）得到的预处理的铜、铝、硅按一定顺序加入高温炉中，升温混合，使铜-铝-硅合金混合完全，得到铜-铝-硅合金；
（3）将步骤（2）得到的铜-铝-硅合金置于真空环境下待降至室温，接着用电子薄膜激光切割机，将铜-铝-硅合金混合物按需求切割，得到合金薄膜；
（4）将鳞片石墨、乙炔黑和聚乳酸加入真空搅拌机中，研磨混合均匀，接着过120目筛，得到负极材料混合物；
（5）将步骤（4）得到的负极材料混合物热熔喷涂于步骤（3）制得的合金薄膜上，烘干、碾压、分条、制片，即得薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
2.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述酸洗采用质量浓度为20~30%的硫酸溶液、盐酸溶液中的一种，酸洗次数为3~5次。
3.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述真空烘干的温度为80~90℃，时间为16~18h。
4.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述预处理的铜、铝、硅的加入质量比为：铜、硅、铝=52~56:40~45:8~12。
5.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述铜、硅、铝的加入方式为，先加入硅总质量45~55%的硅，接着加入全部铜和全部铝，最后加入剩余的硅。
6.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述升温混合的温度为1400~1500℃，时间为4~6h。
7.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述激光切割的激光波长为10~15μm，激光功率为60~100W，切割厚度为100-200μm。
8.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，鳞片石墨、乙炔黑、聚乳酸的质量比例88~93:2~4:5~8。
9.根据权利要求1所述一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述热熔喷涂采用1-2MPa压力、80-100℃热气流使混合物粉快速软化均匀涂敷在切割的合金薄膜，采用合金薄膜两面均涂敷，单面涂覆厚度100-150微米。
10.权利要求1~9任一项所述制备方法制备得到的一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料。
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CN201811542933.8A Withdrawn CN109686937A (zh) 2018-12-17 2018-12-17 一种薄膜复合型锂电池碳硅负极材料及制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113690409A (zh) * 2021-07-01 2021-11-23 上海兰钧新能源科技有限公司 一种提高电池性能的极片处理方法

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