CN113782744A - 锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法 - Google Patents

锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，采用软硬PVA和CMC复合粘结剂利用其弹塑性性质，在弱酸性条件下，采用水为溶剂，加入氢氧化锂原料在对位形成锂化成键，锂化后的粘结剂与亚硅负极混合涂敷在铜集流体表面进行半电池制作，所得到的电池性能具有高的首效和倍率性能。本发明适用于有机/无机的合成，操作简单易行，副产物为水的环保型的，在工业中可大量推广使用。该发明制备的预锂化粘结剂可用于制备高容量电池领域。

Description

锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法
技术领域
本发明属于有机无极复合材料领域，具体说是一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法。
背景技术
以可充电电池为基础的电源系统是在集约式可持续发展前提下替代传统高污染高排放化石能源的分布式清洁能源首选，其中锂离子电池因其独具的优势如能量密度高、寿命长、额定电压高、高低温适应性强、无记忆效应等，成为主要技术载体，被广泛应用于国防、交通、电力电子、通讯、储能等领域。硅基材料因其较高的理论比容量、低的脱锂电位、环境友好、成本较低等优势而被认为是极具潜力的新一代高能量密度锂离子电池负极材料。
硅基材料的实用化还有很多问题亟待解决，其中有两个关键问题：一是循环稳定性差。在循环充放电即嵌、脱锂过程中硅发生结构转变，体积变化可高达300%，由此引发的疲劳应力会不仅造成颗粒自身粉化，使得材料的比容量快速衰减；与粘结剂、集流体的粘附也会逐渐减弱，最终导致负极涂敷层的局部或整体剥落，活性物质与集流体失去电接触导致电芯快速劣化；二是首次库伦效率低。这是因为硅基材料本身载流子浓度低导电性差，另外巨大的膨胀效应导致Si容易和电解液反应形成不稳定的SEI膜。
粘结剂是锂电池电极的关键材料，保护充放电过程中电极的完整性。虽然近些年粘结剂技术得到很好的发展，然而目前应用的粘结剂仍没有考虑锂离子的传递以及和亚硅基体的化学关联性，导致较差的首效和倍率性能，厚的涂敷量将导致电极开裂而失效，因此建立新的粘结剂理念非常重要。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于公开了一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能方法。
本发明目的通过以下方案实现：一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，包括采用软硬PVA和CMC复合粘结剂合成预锂化粘结剂和高能量密度亚硅负极的制作，包括以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为0.5～1mol/l的溶液，按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成0.6～1.2mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为6-7后和溶液B混合，剧烈搅拌后加入助剂氟化锂，继续搅拌0.5~2小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
停止搅拌后静置，取沉淀，用去离子水和无水乙醇离心清洗、过滤，然后用加入异丙醇在油浴锅加热脱水后得到白色粉末状预锂化粘结剂；
（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加如10%的导电剂乙炔黑，商业化亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的粉体量，搅拌均匀形成浆料；
涂敷于铜电极表面进行半电池制作，干燥后装纽扣得到高比能电池。
在上述方案基础上，步骤（1）中，所述的溶液A和溶液B的混合步骤为将溶液A缓慢滴入溶液B中。
步骤（2）中，所述的亚硅粉体粒径为1-2微米。
本发明公开了一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，采用软硬PVA和CMC复合粘结剂利用其弹塑性性质，在弱酸性条件下，采用水为溶剂，加入氢氧化锂原料在对位形成锂化成键，锂化后的粘结剂与亚硅负极混合涂敷在铜集流体表面进行半电池制作，所得到的电池性能具有高的首效和倍率性能。本发明适用于有机/无机的合成，该方法操作简单易行，副产物为水是环保型的，在工业中可大量推广使用。该发明制备的预锂化粘结剂可用于制备高容量电池领域。
附图说明
图1 为本发明的实施例1所得粉体的首效；
图2为本发明的实施例1所得高比能样品的倍率性能。
具体实施方式
实施例1
一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，包括采用软硬PVA和CMC复合粘结剂合成预锂化粘结剂和高能量密度亚硅负极的制作，按以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为0.5mol/l的溶液，进而按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成0.6mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为6后缓慢加入溶液B中，剧烈搅拌后加入0.01mol/l助剂氟化锂，继续搅拌0.5小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
停止搅拌后静置，取沉淀，用去离子水和无水乙醇离心清洗、过滤，然后用加入异丙醇在油浴锅加热脱水后得到白色粉末状预锂化粘结剂；
（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加10%的导电剂乙炔黑；使用2微米商业化亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的亚硅粉体量，搅拌均匀形成浆料；
涂敷于铜电极表面进行半电池制作，干燥后装纽扣得到高比能电池。
如图1所示，所得电池的首效为82%；倍率在3C时仍为85%以上，见图2。
实施例2
一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，与实施例1步骤近似，按以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为1mol/l的溶液，进而按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成1.2mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为7后缓慢加入溶液B中，剧烈搅拌后加入0.01mol/l助剂氟化锂，继续搅拌0.5~2小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
停止搅拌后静置，取沉淀，用去离子水和无水乙醇离心清洗、过滤，然后加入异丙醇在油浴锅加热脱水后得到白色粉末状预锂化粘结剂；
（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加如10%的导电剂乙炔黑；使用2微米商业化亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的亚硅粉体量，搅拌均匀形成浆料；
涂敷于铜电极表面进行半电池制作，干燥后装纽扣得到高比能电池。所得电池的首效为80%，倍率在3C时仍为86%以上。
实施例3
一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，与实施例1步骤近似，按以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为0.75mol/l的溶液；进而按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成0.9mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为6.5后缓慢加入B中，剧烈搅拌后加入助剂0.01mol/l氟化锂，继续搅拌1小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
停止搅拌后静置，取沉淀，用去离子水和无水乙醇离心清洗、过滤，然后用加入异丙醇在油浴锅加热脱水后得到白色粉末状预锂化粘结剂；
（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加10%的导电剂乙炔黑；使用2微米商业化亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的亚硅粉体量，搅拌均匀形成浆料；
涂敷于铜电极表面进行半电池制作，，干燥后装纽扣得到高比能电池，所得电池的首效为81%，倍率在3C时仍为84%以上。

Claims (6)

1.一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，包括采用软硬PVA和CMC复合粘结剂合成预锂化粘结剂和高能量密度亚硅负极的制作，其特征在于，包括以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为0.5～1mol/l的溶液，按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成0.6～1.2mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为6-7后和溶液B混合，剧烈搅拌后加入助剂氟化锂，继续搅拌0.5~2小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
停止搅拌后静置，取沉淀，用去离子水和无水乙醇离心清洗、过滤，然后用加入异丙醇在油浴锅加热脱水后得到白色粉末状预锂化粘结剂；
（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加如10%的导电剂乙炔黑，亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的亚硅粉体量，搅拌均匀形成浆料；
涂敷于铜电极表面进行半电池制作，干燥后装纽扣得到高比能电池。
2.按权利要求1所述一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的溶液A和溶液B的混合步骤为将溶液A缓慢滴入溶液B中。
3.按权利要求1所述一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的亚硅粉体粒径为2微米。
4.按权利要求1至3任一项所述一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，其特征在于：按以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为0.5mol/l的溶液，进而按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成0.6mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为6后缓慢加入溶液B中，剧烈搅拌后加入0.01mol/l助剂氟化锂，继续搅拌0.5小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
停止搅拌后静置，取沉淀，用去离子水和无水乙醇离心清洗、过滤，然后用加入异丙醇在油浴锅加热脱水后得到白色粉末状预锂化粘结剂；
（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加10%的导电剂乙炔黑；使用2微米商业化亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的亚硅粉体量，搅拌均匀形成浆料；
涂敷于铜电极表面进行半电池制作，干燥后装纽扣得到高比能电池。
5.按权利要求1至3任一项所述一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，其特征在于：按以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为1mol/l的溶液，进而按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成1.2mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为7后缓慢加入溶液B中，剧烈搅拌后加入0.01mol/l助剂氟化锂，继续搅拌0.5~2小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
停止搅拌后静置，取沉淀，用去离子水和无水乙醇离心清洗、过滤，然后加入异丙醇在油浴锅加热脱水后得到白色粉末状预锂化粘结剂；
（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加如10%的导电剂乙炔黑；使用2微米商业化亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的亚硅粉体量，搅拌均匀形成浆料；
涂敷于铜电极表面进行半电池制作，干燥后装纽扣得到高比能电池。
6.按权利要求1至3任一项所述一种锂离子修饰粘结剂用于提高高比能氧化亚硅负极性能的方法，其特征在于：按以下步骤：
（1）合成预锂化粘结剂
称取适量的PVA粉体，溶于去离子水，制成浓度为0.75mol/l的溶液；进而按两种粘结剂摩尔比为2：3的比例溶入CMC，制成粘结剂的混合溶液A；
将锂化剂氢氧化锂加去离子水配成0.9mol/l，制成溶液B；
将溶液A调整pH值为6.5后缓慢加入B中，剧烈搅拌后加入助剂0.01mol/l氟化锂，继续搅拌1小时，反应过程往溶液里加入氯化钙以吸收反应形成的水分，以加速反应；
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（2）制作高能量密度亚硅负极
以去离子水为分散介质，加入10%的粘结剂搅拌成无色透明液体，再加10%的导电剂乙炔黑；使用2微米商业化亚硅粉体进行球磨处理打开硬团聚，然后加入80%的亚硅粉体量，搅拌均匀形成浆料；
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