CN111009649A - 一种全固态锂离子电池硅负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种全固态锂离子电池硅负极材料及其制备方法，涉及锂离子电池负极材料技术领域，包括负极材料内核和包覆层，制备步骤如下：制备石墨烯分散液；分散得到纸纤维悬浊液；制备石墨烯导电纸；制备石墨烯油性分散液；得到全固态锂离子电池硅负极材料。本发明采用与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯包覆层，既有利于缓解与固态电解质接触的活性物质的体积变化，又可以改善首次库伦效率低，不可逆容量大的问题，满足了使用需求，通过提供的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，该方法工艺条件简单，制备条件可控，适合进行规模化生产开发。

Description

一种全固态锂离子电池硅负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种全固态锂离子电池硅负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池作为新一代二次电池，近年来在电动汽车、储能电网、消费类电子产品等领域具有广泛的应用。传统的商用锂离子电池所用的负极材料主要为石墨类，其理论比容量只有372mAh/g，无法满足当前对高能量密度存储设备的需求。硅作为锂离子电池负极材料的一种，被认为是最具潜力的高比容量负极材料之一。4200mAh/g的高比容量使得硅有望替代石墨成为新一代的负极材料。
目前研究者们主要通过表面包覆处理、或者硅颗粒纳米化来缓解或者减小硅的体积变化，避免硅材料的颗粒粉化和固体电解质界面膜的反复生长。然而，硅作为负极材料在充放电过程中，存在严重的体积变化问题，这种巨大的体积变化极易导致电极片上的硅负极材料发生粉化、涂层脱落现象，影响材料的循环使用寿命，同时，由于硅的半导体性质，其导电性也较差，体现为较差的倍率性能，存在首次库伦效率低，不可逆容量大的问题，无法满足使用需求。因此，对于锂离子电池实际应用，硅负极材料还面临着巨大的挑战，尤其对于当下颇具前景的全固态锂离子电池，问题更甚。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种全固态锂离子电池硅负极材料及其制备方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种全固态锂离子电池硅负极材料，包括负极材料内核和包覆层，其特征在于，所述负极材料内核位于所述包覆层的内部，所述负极材料内核为纳米硅，所述包覆层为与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯。
一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将改性石墨烯和分散剂加入去离子水超声处理制备石墨烯分散液；
(2)将纸纤维加入去离子水中分散得到纸纤维悬浊液；
(3)将步骤(1)中的石墨烯分散液与步骤(2)中的纸纤维悬浊液混匀制备石墨烯导电纸；
(4)将石墨烯与油性分散剂混合制备石墨烯油性分散液；
(5)将纳米硅与石墨烯油性分散液混合制备纳米硅-石墨烯悬浮浆料，并涂覆在石墨烯导电纸上，得到全固态锂离子电池硅负极材料。
作为优选，所述步骤(1)中所述改性石墨烯是以天然石墨为原料，复合锂离子电池固态电解质，通过物理剥离法制备得到，所述分散剂采用海藻酸钠。
作为优选，所述步骤(1)中所述的石墨烯分散液超声处理时间为1-10小时，所述步骤(1)中改性石墨烯、分散剂和去离子水的质量比为1:0.01-0.2:100。
作为优选，所述步骤(2)中所述纸纤维悬浊液的制备条件为5000-10000r/min高速剪切分散1-8小时，所述步骤(2)中纸纤维和去离子水的质量比为1:100-400。
作为优选，所述步骤(3)中所述石墨烯导电纸中石墨烯与纸纤维的质量比为1:0.5-1。
作为优选，所述步骤(4)所述的石墨烯油性分散液中，石墨烯与油性分散剂的质量比为5:0.1-1，所述油性分散剂采用N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺和异丙醇中的任意一种。
作为优选，所述步骤(5)中所述的纳米硅-石墨烯悬浮浆料在石墨烯导电纸上的涂覆厚度为50-200μm，所述步骤(5)中纳米硅与石墨烯油性分散液的的质量比为1:1-4。
上述所制备的硅负极材料在离子电池负极材料的应用。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种全固态锂离子电池硅负极材料，采用与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯包覆层，既有利于缓解与固态电解质接触的活性物质的体积变化，又可以改善首次库伦效率低，不可逆容量大的问题，满足了使用需求，通过提供的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，该方法工艺条件简单，制备条件可控，适合进行规模化生产开发。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
一种全固态锂离子电池硅负极材料，包括负极材料内核和包覆层，其特征在于，所述负极材料内核位于所述包覆层的内部，所述负极材料内核为纳米硅，所述包覆层为与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯。
一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将改性石墨烯和分散剂加入去离子水超声处理制备石墨烯分散液；
(2)将纸纤维加入去离子水中分散得到纸纤维悬浊液；
(3)将步骤(1)中的石墨烯分散液与步骤(2)中的纸纤维悬浊液混匀制备石墨烯导电纸；
(4)将石墨烯与油性分散剂混合制备石墨烯油性分散液；
(5)将纳米硅与石墨烯油性分散液混合制备纳米硅-石墨烯悬浮浆料，并涂覆在石墨烯导电纸上，得到全固态锂离子电池硅负极材料。
作为优选，所述步骤(1)中所述改性石墨烯是以天然石墨为原料，复合锂离子电池固态电解质，通过物理剥离法制备得到，所述分散剂采用海藻酸钠。
作为优选，所述步骤(1)中所述的石墨烯分散液超声处理时间为1-10小时，所述步骤(1)中改性石墨烯、分散剂和去离子水的质量比为1:0.01-0.2:100。
作为优选，所述步骤(2)中所述纸纤维悬浊液的制备条件为5000-10000r/min高速剪切分散1-8小时，所述步骤(2)中纸纤维和去离子水的质量比为1:100-400。
作为优选，所述步骤(3)中所述石墨烯导电纸中石墨烯与纸纤维的质量比为1:0.5-1。
作为优选，所述步骤(4)所述的石墨烯油性分散液中，石墨烯与油性分散剂的质量比为5:0.1-1，所述油性分散剂采用N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺和异丙醇中的任意一种。
作为优选，所述步骤(5)中所述的纳米硅-石墨烯悬浮浆料在石墨烯导电纸上的涂覆厚度为50-200μm，所述步骤(5)中纳米硅与石墨烯油性分散液的的质量比为1:1-4。
上述所制备的硅负极材料在离子电池负极材料的应用。
实施例1
一种全固态锂离子电池硅负极材料，包括负极材料内核和包覆层，所述负极材料内核位于所述包覆层的内部，所述负极材料内核为纳米硅，所述包覆层为与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯。
一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.5g改性石墨烯和0.005g海藻酸钠加入50g去离子水超声处理，石墨烯分散液超声处理时间为1小时，制备石墨烯分散液；
(2)将0.5g纸纤维加入50g去离子水中分散得到纸纤维悬浊液，纸纤维悬浊液的制备条件为5000r/min高速剪切分散8小时；
(3)将步骤(1)中的石墨烯分散液与步骤(2)中的纸纤维悬浊液混匀制备石墨烯导电纸；
(4)将0.5g石墨烯与0.01gN-甲基吡咯烷酮混合制备石墨烯油性分散液；
(5)将0.5g纳米硅与0.5g石墨烯油性分散液混合制备纳米硅-石墨烯悬浮浆料，并涂覆在石墨烯导电纸上，纳米硅-石墨烯悬浮浆料在石墨烯导电纸上的涂覆厚度为50μm，得到全固态锂离子电池硅负极材料。
所述步骤(1)中所述改性石墨烯是以天然石墨为原料，复合锂离子电池固态电解质，通过物理剥离法制备得到。
上述所制备的硅负极材料在离子电池负极材料的应用。
实施例2
一种全固态锂离子电池硅负极材料，包括负极材料内核和包覆层，所述负极材料内核位于所述包覆层的内部，所述负极材料内核为纳米硅，所述包覆层为与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯。
一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.5g改性石墨烯和0.1g海藻酸钠加入50g去离子水超声处理制备石墨烯分散液，石墨烯分散液超声处理时间为10小时；
(2)将0.5g纸纤维加入200g去离子水中分散得到纸纤维悬浊液，纸纤维悬浊液的制备条件为10000r/min高速剪切分散1小时；
(3)将步骤(1)中的石墨烯分散液与步骤(2)中的纸纤维悬浊液混匀制备石墨烯导电纸；
(4)将1g石墨烯与0.2gN，N-二甲基甲酰胺混合制备石墨烯油性分散液；
(5)将0.5g纳米硅与2g石墨烯油性分散液混合制备纳米硅-石墨烯悬浮浆料，并涂覆在石墨烯导电纸上，纳米硅-石墨烯悬浮浆料在石墨烯导电纸上的涂覆厚度为200μm，得到全固态锂离子电池硅负极材料。
所述步骤(1)中所述改性石墨烯是以天然石墨为原料，复合锂离子电池固态电解质，通过物理剥离法制备得到。
上述所制备的硅负极材料在离子电池负极材料的应用。
实施例3
一种全固态锂离子电池硅负极材料，包括负极材料内核和包覆层，所述负极材料内核位于所述包覆层的内部，所述负极材料内核为纳米硅，所述包覆层为与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯。
一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2g改性石墨烯和0.2g海藻酸钠加入200g去离子水超声处理制备石墨烯分散液，石墨烯分散液超声处理时间为5小时；
(2)将2g纸纤维加入600g去离子水中分散得到纸纤维悬浊液，纸纤维悬浊液的制备条件为8000r/min高速剪切分散4小时；
(3)将步骤(1)中的石墨烯分散液与步骤(2)中的纸纤维悬浊液混匀制备石墨烯导电纸；
(4)将3g石墨烯与2.4g异丙醇混合制备石墨烯油性分散液；
(5)将2g纳米硅与6g石墨烯油性分散液混合制备纳米硅-石墨烯悬浮浆料，并涂覆在石墨烯导电纸上，纳米硅-石墨烯悬浮浆料在石墨烯导电纸上的涂覆厚度为100μm，得到全固态锂离子电池硅负极材料。
所述步骤(1)中所述改性石墨烯是以天然石墨为原料，复合锂离子电池固态电解质，通过物理剥离法制备得到。
上述所制备的硅负极材料在离子电池负极材料的应用。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全固态锂离子电池硅负极材料，包括负极材料内核和包覆层，其特征在于，所述负极材料内核位于所述包覆层的内部，所述负极材料内核为纳米硅，所述包覆层为与固态电解质具有良好兼容性的石墨烯。
2.一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将改性石墨烯和分散剂加入去离子水超声处理制备石墨烯分散液；
(2)将纸纤维加入去离子水中分散得到纸纤维悬浊液；
(3)将步骤(1)中的石墨烯分散液与步骤(2)中的纸纤维悬浊液混匀制备石墨烯导电纸；
(4)将石墨烯与油性分散剂混合制备石墨烯油性分散液；
(5)将纳米硅与石墨烯油性分散液混合制备纳米硅-石墨烯悬浮浆料，并涂覆在石墨烯导电纸上，得到全固态锂离子电池硅负极材料。
3.根据权利要求2所述的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述改性石墨烯是以天然石墨为原料，复合锂离子电池固态电解质，通过物理剥离法制备得到，所述分散剂采用海藻酸钠。
4.根据权利要求2所述的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述的石墨烯分散液超声处理时间为1-10小时，所述步骤(1)中改性石墨烯、分散剂和去离子水的质量比为1:0.01-0.2:100。
5.根据权利要求2所述的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述纸纤维悬浊液的制备条件为5000-10000r/min高速剪切分散1-8小时，所述步骤(2)中纸纤维和去离子水的质量比为1:100-400。
6.根据权利要求2所述的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述石墨烯导电纸中石墨烯分散液与纸纤维悬浊液的质量比为1:0.5-1。
7.根据权利要求2所述的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)所述的石墨烯油性分散液中，石墨烯与油性分散剂的质量比为5:0.1-1，所述油性分散剂采用N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺和异丙醇中的任意一种。
8.根据权利要求2所述的一种全固态锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中所述的纳米硅-石墨烯悬浮浆料在石墨烯导电纸上的涂覆厚度为50-200μm，所述步骤(5)中纳米硅与石墨烯油性分散液的的质量比为1:1-4。
9.权利要求1-8任一项所制备的硅负极材料在离子电池负极材料的应用。
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