CN110611089B - 一种改进的锂离子电池硅基负极材料 - Google Patents

一种改进的锂离子电池硅基负极材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的锂离子电池硅基负极材料,其原料按重量份比包括:硅纳米线50‑80份、二氧化硅20‑40份、石墨15‑45份、去离子水55‑75份、增稠剂20‑30份、导电剂35‑45份、氧化剂30‑50份、结冷胶25‑55份、氢氧化钠溶液22‑35份和溶剂60‑70份,溶剂包括水、醇水混合溶剂、有机酸或醇类溶剂,本发明涉及锂离子电池材料技术领域。该改进的锂离子电池硅基负极材料,所得的锂离子电池硅基负极材料稳定性较高,适用温度范围更广,易于批量化生产,制备的硅基锂离子电池负极材料在0.5Ag‑1的电流密度下循环50圈之后容量仍有885mAhg‑1,容量保持率高,制备工艺与设备要求低,反应无需在高真空等苛刻的条件下进行,还具有成本低、无污染和对环境友好的优点。

Description

一种改进的锂离子电池硅基负极材料
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域,具体为一种改进的锂离子电池硅基负极材料。
背景技术
锂离子电池:是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作,在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反,锂系电池分为锂电池和锂离子电池,手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池,电池一般采用含有锂元素的材料作为电极,是现代高性能电池的代表,而真正的锂电池由于危险性大,很少应用于日常电子产品,负极指电源中电位(电势)较低的一端,在原电池中,是指起氧化作用的电极,电池反应中写在左边,从物理角度来看,是电路中电子流出的一极,而负极材料,则是指电池中构成负极的原料,目前常见的负极材料有碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料和纳米级负极材料。
锂离子电池以能量密度高、循环寿命长、使用无污染等优点,成为当今新能源届研究的主题,被广泛的应用于笔记本、手机、电动汽车上,目前锂离子电池通常以石墨作为负极材料,但是,由于石墨的理论容量低,限制了锂离子电池整体的能量密度,硅的理论容量可达4200mAhg-1,远高于石墨,且在地球上储量丰富,是一种优异的锂离子电池负极材料,但是,硅的导电性差,在充放电过程中体积膨胀可达3倍以上,容易发生材料颗粒破碎、材料从集流体上脱落等问题,造成电池容量迅速衰减,电池寿命短,倍率性能差等不好的结果,而且在充放电过程中的稳定性较差。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种改进的锂离子电池硅基负极材料,解决了现有材料限制了锂离子电池整体的能量密度,导电性能差,稳定性较差的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种改进的锂离子电池硅基负极材料,其原料按重量份比包括:硅纳米线50-80份、二氧化硅20-40份、石墨15-45份、去离子水55-75份、增稠剂20-30份、导电剂35-45份、氧化剂30-50份、结冷胶25-55份、氢氧化钠溶液22-35份和溶剂60-70份。
优选的,所述溶剂包括水、醇水混合溶剂、有机酸或醇类溶剂,所述增稠剂是羧甲基纤维素钠或者聚丙烯酸,所述导电剂是导电石墨、导电炭黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或SP-Li。
硅纳米线是一种新型的一维半导体纳米材料,线体直径一般在10nm左右,内晶核是单晶硅,外层有一SiO2包覆层,
二氧化硅是一种酸性氧化物,对应水化物为硅酸,二氧化硅是硅最重要的化合物之一,地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%,其存在形态有结晶型和无定型两大类,统称硅石。
石墨是一种结晶形碳,六方晶系,为铁墨色至深灰色,密度2.25克/厘米3,硬度1.5,溶点3652℃,沸点4827℃,质软,有滑腻感,可导电,化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、碱等不易反应,在空气或氧气中加强热,可燃烧并生成二氧化碳,强氧化剂会将它氧化成有机酸,用作抗摩剂和润滑材料,制作坩埚、电极、干电池、铅笔芯,高纯度石墨可在核反应堆上作中子减速剂,常被称为炭精或黑铅,因为以前被误认为是铅。
去离子水是指除去了呈离子形式杂质后的纯水,国际标准化组织ISO/TC147规定的"去离子"定义为:"去离子水完全或不完全地去除离子物质,"现在的工艺主要采用RO反渗透的方法制取,应用离子交换树脂去除水中的阴离子和阳离子,但水中仍然存在可溶性的有机物,可以污染离子交换柱从而降低其功效。
在氧化还原反应中,获得电子的物质称作氧化剂,与此对应,失去电子的物质称作还原剂,狭义地说,氧化剂又可以指可以使另一物质得到氧的物质,以此类推,氟化剂是可以使物质得到氟的物质,氯化剂、溴化剂等亦然。
氧化剂是氧气、过氧化氢、高锰酸钾、臭氧、重铬酸钾或氯中的一种。
增稠剂是聚氨酯增稠剂、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、卡波树脂、聚丙烯酸或聚丙烯酸酯共聚乳液中的一种。
导电剂是导电碳黑、导电石墨、SP-Li或碳纳米管中的一种。
结冷胶别名凯可胶、洁冷胶,主要成分由葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖按2:1:1的比例,四种单糖为重复结构单元所组成的线形多聚糖,在天然的高乙酰结构中有乙酰基和甘油酸基存在,它们都位于同一个葡萄糖基上,且平均每一个重复结构有一个甘油酸基,而每两个重复结构有一个乙酰基。
氢氧化钠,化学式为NaOH,俗称烧碱、火碱、苛性钠,为一种具有强腐蚀性的强碱,一般为片状或颗粒形态,易溶于水(溶于水时放热)并形成碱性溶液,另有潮解性,易吸取空气中的水蒸气(潮解)和二氧化碳(变质)。
氯乙酸包装采用聚丙烯编织袋内衬双层塑料袋包装,在运输过程应防止阳光直射、(雨淋等)受潮、包装破损,应储存在阴凉、通风干燥处,远离火种、热源,应与氧化物、碱类、易燃物等物品分开存放,常温下保质期为一年,夏季气温较高下不宜长期存放。
优选的,一种改进的锂离子电池硅基负极材料的制备方法具体包括以下步骤:
S1、粘结剂的制备:选取结冷胶,并将结冷胶均匀的倒入冷的氢氧化钠溶液中,采用搅拌装置搅拌30-40分钟,将搅拌装置的温度升至室温,选取氯乙酸和溶剂,将氯乙酸倒入溶剂中,搅拌使得氯乙酸融于溶剂中,形成混合溶液,并将混合溶液分三次缓慢滴加到前面的混合物中,室温下反应4-5小时,经溶剂淋洗多次后,得到粗产物,最后将粗产物溶解在溶剂中,过滤除去杂质后再经过透析,冷冻干燥,得到粘结剂;
S2、混合物的制备:选取硅纳米线、二氧化硅和石墨,并将选取的硅纳米线、二氧化硅和石墨倒入搅拌器中进行搅拌,然后倒入氧化剂,浸泡1-2小时,将浸润了氧化剂的混合物,转移至一个器皿中,并在30-70℃的条件下使有机溶剂挥发;
S3、混合物的处理:将S2中制得的混合物倒入干净的混合容器中,然后加入去离子水,手动进行搅拌混合,然后进行过滤,得到沉淀物,将得到的沉淀物进行加热处理,烘干后得到无杂质的混合物;
S4、成品的制备:将S3制备的混合物倒入搅拌器中,然后倒入增稠剂、导电剂和粘结剂,启动搅拌器进行搅拌,搅拌时间为2-3小时,搅拌速率控制在500-550转/分钟,搅拌完成之后将混合物取出,对混合物进行高温烘焙,烘焙温度控制在700-1100℃,然后取出自然冷却,最后对冷却后的混合物进行筛分得到改进的锂离子电池硅基负极材料。
优选的,所述S2搅拌器的搅拌速率为300-500转/分钟,搅拌时间为1-2小时。
优选的,所述S3中加热的温度控制在35-55℃。
(三)有益效果
本发明提供了一种改进的锂离子电池硅基负极材料。与现有技术相比具备以下有益效果:
(1)、该改进的锂离子电池硅基负极材料,通过其原料按重量份比包括:硅纳米线50-80份、二氧化硅20-40份、石墨15-45份、去离子水55-75份、增稠剂20-30份、导电剂35-45份、氧化剂30-50份、结冷胶25-55份、氢氧化钠溶液22-35份和溶剂60-70份,所得的锂离子电池硅基负极材料稳定性较高,适用温度范围更广,易于批量化生产。
(2)、该改进的锂离子电池硅基负极材料,通过S2、混合物的制备:选取硅纳米线、二氧化硅和石墨,并将选取的硅纳米线、二氧化硅和石墨倒入搅拌器中进行搅拌,然后倒入氧化剂,浸泡1-2小时,将浸润了氧化剂的混合物,转移至一个器皿中,并在30-70℃的条件下使有机溶剂挥发,待有机溶剂挥发完全后,在混合物的表面形成一层氧化剂膜,制备的硅基锂离子电池负极材料在0.5Ag-1的电流密度下循环50圈之后容量仍有885mAhg-1,容量保持率高。
(3)、该改进的锂离子电池硅基负极材料,通过S1、粘结剂的制备:选取结冷胶,并将结冷胶均匀的倒入冷的氢氧化钠溶液中,采用混合器搅拌30min,S2、混合物的制备:选取硅纳米线、二氧化硅和石墨,并将选取的硅纳米线、二氧化硅和石墨倒入搅拌器中进行搅拌,S3、混合物的处理:将S2中制得的混合物倒入干净的混合容器中,S4、成品的制备:将S3制备的混合物倒入搅拌器中,制备工艺与设备要求低,反应无需在高真空等苛刻的条件下进行,还具有成本低、无污染和对环境友好的优点。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明实施例提供三种技术方案:一种改进的锂离子电池硅基负极材料,具体包括以下实施例:
实施例1
S1、粘结剂的制备:选取45份结冷胶,并将结冷胶均匀的倒入冷的29份氢氧化钠溶液中,采用搅拌装置搅拌35min,将搅拌装置的温度升至室温,选取25份氯乙酸和30份溶剂,将25份氯乙酸倒入30份溶剂中,搅拌使得25份氯乙酸融于30份溶剂中,形成混合溶液,并将混合溶液分三次缓慢滴加到前面的混合物中,室温下反应4.5小时,经25份溶剂淋洗多次后,得到粗产物,最后将粗产物溶解在10份溶剂中,过滤除去杂质后再经过透析,冷冻干燥,得到粘结剂;
S2、混合物的制备:选取65份硅纳米线、30份二氧化硅和30份石墨,并将选取的65份硅纳米线、30份二氧化硅和30份石墨倒入搅拌器中进行搅拌,然后倒入40份氧化剂,浸泡1.5小时,将浸润了40份氧化剂的混合物,转移至一个器皿中,并在50℃的条件下使有机溶剂挥发,氧化剂是氧气、过氧化氢和高锰酸钾的混合物,氧气:过氧化氢:高锰酸钾=1:1.3:1;
S3、混合物的处理:将S2中制得的混合物倒入干净的混合容器中,然后加入65份去离子水,手动进行搅拌混合,然后进行过滤,得到沉淀物,将得到的沉淀物进行加热处理,烘干后得到无杂质的混合物;
S4、成品的制备:将S3制备的混合物倒入搅拌器中,然后倒入25份增稠剂、40份导电剂和粘结剂,启动搅拌器进行搅拌,搅拌时间为2.5小时,搅拌速率控制在525转/分钟,搅拌完成之后将混合物取出,对混合物进行高温烘焙,烘焙温度控制在900℃,然后取出自然冷却,最后对冷却后的混合物进行筛分得到改进的锂离子电池硅基负极材料,增稠剂是聚氨酯增稠剂、聚丙烯酸钠和聚乙烯醇的混合物,聚氨酯增稠剂:聚丙烯酸钠:聚乙烯醇=1:1:1,导电剂是导电碳黑和导电石墨的混合物,导电碳黑:导电石墨=1:1。
实施例2
S1、粘结剂的制备:选取25份结冷胶,并将25份结冷胶均匀的倒入冷的22份氢氧化钠溶液中,采用混合器搅拌30min,将搅拌装置的温度升至室温,选取20份氯乙酸和25份溶剂,将20份氯乙酸倒入25份溶剂中,慢慢搅拌使得20份氯乙酸融于25份溶剂中,形成混合溶液,并将混合溶液分三次缓慢滴加到前面的混合物中,室温下反应4小时,经25份溶剂淋洗多次后,得到粗产物,最后将粗产物溶解在10份溶剂中,过滤除去杂质后再经过透析,冷冻干燥,得到粘结剂;
S2、混合物的制备:选取50份硅纳米线、20份二氧化硅和15份石墨,并将选取的50份硅纳米线、20份二氧化硅和15份石墨倒入搅拌器中进行搅拌,然后倒入氧化剂,浸泡1小时,将浸润了20份氧化剂的混合物,转移至一个器皿中,并在30℃的条件下使有机溶剂挥发,待有机溶剂挥发完全后,在混合物的表面形成一层氧化剂膜,氧化剂是氧气、过氧化氢和高锰酸钾的混合物,氧气:过氧化氢:高锰酸钾=1:1.3:1;
S3、混合物的处理:将S2中制得的混合物倒入干净的混合容器中,然后加入55份去离子水,手动进行搅拌混合,然后进行过滤,得到沉淀物,将得到的沉淀物进行加热处理,烘干后得到无杂质的混合物;
S4、成品的制备:将S3制备的混合物倒入搅拌器中,然后倒入20份增稠剂、35份导电剂和粘结剂,启动搅拌器进行搅拌,搅拌时间为2小时,搅拌速率控制在500转/分钟,搅拌完成之后将混合物取出,对混合物进行高温烘焙,烘焙温度控制在700℃,然后取出自然冷却,最后对冷却后的混合物进行筛分得到改进的锂离子电池硅基负极材料,增稠剂是聚氨酯增稠剂、聚丙烯酸钠和聚乙烯醇的混合物,聚氨酯增稠剂:聚丙烯酸钠:聚乙烯醇=1:1:1,导电剂是导电碳黑和导电石墨的混合物,导电碳黑:导电石墨=1:1。
实施例3
S1、粘结剂的制备:选取55份结冷胶,并将55份结冷胶均匀的倒入冷的35份氢氧化钠溶液中,采用混合器搅拌30min,将搅拌装置的温度升至室温,选取30份氯乙酸和40份溶剂,将30份氯乙酸倒入40份溶剂中,慢慢搅拌使得30份氯乙酸融于40份溶剂中,形成混合溶液,并将混合溶液分三次缓慢滴加到前面的混合物中,室温下反应5小时,经20份溶剂淋洗多次后,得到粗产物,最后将粗产物溶解在10份溶剂中,过滤除去杂质后再经过透析,冷冻干燥,得到粘结剂;
S2、混合物的制备:选取80份硅纳米线、40份二氧化硅和45份石墨,并将选取的50份硅纳米线、20份二氧化硅和15份石墨倒入搅拌器中进行搅拌,然后倒入氧化剂,浸泡2小时,将浸润了50份氧化剂的混合物,转移至一个器皿中,并在70℃的条件下使有机溶剂挥发,待有机溶剂挥发完全后,在混合物的表面形成一层氧化剂膜,氧化剂是氧气、过氧化氢和高锰酸钾的混合物,氧气:过氧化氢:高锰酸钾=1:1.3:1;
S3、混合物的处理:将S2中制得的混合物倒入干净的混合容器中,然后加入75份去离子水,手动进行搅拌混合,然后进行过滤,得到沉淀物,将得到的沉淀物进行加热处理,烘干后得到无杂质的混合物;
S4、成品的制备:将S3制备的混合物倒入搅拌器中,然后倒入30份增稠剂、45份导电剂和粘结剂,启动搅拌器进行搅拌,搅拌时间为3小时,搅拌速率控制在550转/分钟,搅拌完成之后将混合物取出,对混合物进行高温烘焙,烘焙温度控制在1100℃,然后取出自然冷却,最后对冷却后的混合物进行筛分得到改进的锂离子电池硅基负极材料,增稠剂是聚氨酯增稠剂、聚丙烯酸钠和聚乙烯醇的混合物,聚氨酯增稠剂:聚丙烯酸钠:聚乙烯醇=1:1:1,导电剂是导电碳黑和导电石墨的混合物,导电碳黑:导电石墨=1:1。
对比实验
某电池生产厂家采用本发明实施例1-3的生产方法,分别生产出三组锂离子电池负极材料,然后将这三组锂离子电池负极材料安装于锂电池内部,分别成产出三组锂离子电池,随机选取40名工作人员对材料进行测试,其中选取10名工作人员测试本发明实施例1的制作方法所制作的材料,再随机选取10名工作人员测试本发明实施例2的制作方法所制作的材料,选取的10名工作人员测试本发明实施例3的制作方法所制作的材料,剩下的10名工作人员同时选取石墨常规负极材料生产的GB/T30836-2014类型锂离子电池作为现有技术对比组,对实施例1、实施例2、实施例3和现有技术共同进行72小时的持续放电,观察其电流的变化,并选取另一份实施例1、实施例2、实施例3和现有技术一起放置在85℃的环境下进行观察变化,观察2小时,在40名工作人员进行测试之后,对其测试后的结果进行记录。
连续放电72H 85℃高温下状态
实施例1 正常工作 无变化
实施例2 正常工作 无变化
实施例3 正常工作 无变化
现有技术 电流一直不是很稳定 有一点轻微的融化
如上表可知,实施例1、实施例2和实施例3在连续放电72小时之后,仍然稳定,正常工作,而且放置在85℃的高温下无变化,现有技术在连续放电72小时的情况下,电流一直不是很稳定,而且在85℃高温状态下观察2小时之后,有一点轻微的融化,可知实施例1、实施例2和实施例3的电流稳定性均比现有技术较高,而且耐高温程度比现有技术较好,所得的锂离子电池硅基负极材料稳定性较高,易于批量化生产,制备的硅基锂离子电池负极材料在0.5Ag-1的电流密度下循环50圈之后容量仍有885mAhg-1,容量保持率高,制备工艺与设备要求低,反应无需在高真空等苛刻的条件下进行,还具有成本低、无污染和对环境友好的优点。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种改进的锂离子电池硅基负极材料,其特征在于:其原料按重量份比包括:硅纳米线50-80份、二氧化硅20-40份、石墨15-45份、去离子水55-75份、增稠剂20-30份、导电剂35-45份、氧化剂30-50份、结冷胶25-55份、氢氧化钠溶液22-35份、氯乙酸20-30份和溶剂60-70份;
所述一种改进的锂离子电池硅基负极材料的制备方法,具体包括以下步骤:
S1、粘结剂的制备:选取结冷胶,并将结冷胶均匀的倒入冷的氢氧化钠溶液中,采用搅拌装置搅拌30-40分钟,将搅拌装置的温度升至室温,选取氯乙酸和溶剂,将氯乙酸倒入溶剂中,搅拌使得氯乙酸融于溶剂中,形成混合溶液,并将混合溶液分三次缓慢滴加到前面的混合物中,室温下反应4-5小时,经溶剂淋洗多次后,得到粗产物,最后将粗产物溶解在溶剂中,过滤除去杂质后再经过透析,冷冻干燥,得到粘结剂;
S2、混合物的制备:选取硅纳米线、二氧化硅和石墨,并将选取的硅纳米线、二氧化硅和石墨倒入搅拌器中进行搅拌,然后倒入氧化剂,浸泡1-2小时,将浸润了氧化剂的混合物,转移至一个器皿中,并在30-70℃的条件下使有机溶剂挥发;
S3、混合物的处理:将S2中制得的混合物倒入干净的混合容器中,然后加入去离子水,搅拌混合,然后进行过滤,得到沉淀物,将得到的沉淀物进行加热处理,烘干后得到无杂质的混合物;
S4、成品的制备:将S3制备的混合物倒入搅拌器中,然后倒入增稠剂、导电剂和粘结剂,启动搅拌器进行搅拌,搅拌时间为2-3小时,搅拌速率控制在500-550转/分钟,搅拌完成之后将混合物取出,对混合物进行高温烘焙,烘焙温度控制在700-1100℃,然后取出自然冷却,最后对冷却后的混合物进行筛分得到改进的锂离子电池硅基负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种改进的锂离子电池硅基负极材料,其特征在于:所述溶剂包括水、醇水混合溶剂、有机酸或醇类溶剂,所述增稠剂是羧甲基纤维素钠或者聚丙烯酸,所述导电剂是导电石墨、导电炭黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或SP-Li。
3.根据权利要求1所述的一种改进的锂离子电池硅基负极材料,其特征在于:所述S2搅拌器的搅拌速率为300-500转/分钟,搅拌时间为1-2小时。
4.根据权利要求1所述的一种改进的锂离子电池硅基负极材料,其特征在于:所述S3中加热的温度控制在35-55℃。
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