CN114388810A - 一种硅负极材料及使用该硅负极材料的高容量快充电池 - Google Patents

一种硅负极材料及使用该硅负极材料的高容量快充电池 Download PDF

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Abstract

一种硅负极材料及使用该硅负极材料的高容量快充电池。所述硅负极材料具有凝胶态三维网状结构，所述硅负极材料由以下重量份的组分制成：纳米级硅材料25，气相SiO2粉末2~50，极性电解液25~73；所述气相SiO2粉末为疏水性纳米气相SiO2粉末，所述疏水性纳米气相SiO2粉末的粒径为7~40nm；所述极性电解液由锂盐、极性溶剂、导电添加剂混合制成。该硅负极材料通过构建凝胶态三维网状结构形成硅材料纳米微粒的均匀分布空间和分散的膨胀空间，充放电时不会产生硅负极材料整体的体积膨胀，从而大幅提高动力电池的能量密度。

Description

一种硅负极材料及使用该硅负极材料的高容量快充电池
技术领域
本发明涉及高容量电池技术领域，特别涉及一种具有凝胶态三维网状结构的硅负极材料及使用该硅负极材料的高容量快充电池。
背景技术
当前，锂电池在电动汽车动力电池领域得到广泛应用。
现有锂电池主要采用石墨负极材料，由于常规石墨负极材料储能密度太低，只有200Ah/Kg左右，导致电动汽车动力电池充电量只有80KWh左右，进而使得电动汽车续航里程大约为300~400公里，因此一定程度制约了电动汽车的发展。
另一方面，当锂电池使用硅负极材料时，硅负极材料会和Li离子结合形成Li4.Si4矩阵结构，使得硅负极储能密度可以达到4200Ah/kg,是使用石墨负极的12倍，但硅负极材料和Li离子结合形成Li4.Si4矩阵结构时，体积会膨胀300~400%，而传统电池的负极结构无法解决体积膨胀的问题，从而很难使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种硅负极材料及使用该硅负极材料的高容量快充电池，该硅负极材料通过构建凝胶态三维网状结构形成硅材料纳米微粒的均匀分布空间和分散的膨胀空间，充放电时不会产生硅负极材料整体的体积膨胀，从而大幅提高动力电池的能量密度。
为了解决上述现有技术问题,本发明的技术方案是:
一种硅负极材料，所述硅负极材料具有凝胶态三维网状结构，所述硅负极材料由以下重量份的组分制成：
纳米级硅材料 25，
气相SiO2粉末 2~50，
极性电解液 25~73；
优选地，所述硅负极材料由以下重量份的组分制成：
纳米级硅材料 25，
气相SiO2粉末 3，
极性电解液 72；
所述气相SiO2粉末为疏水性纳米气相SiO2粉末，所述疏水性纳米气相SiO2粉末的粒径为7~40nm；
所述气相SiO2粉末的重量份小则制成的硅负极材料粘稠度低、流动性好，所述气相SiO2粉末的重量份大则制成的硅负极材料粘稠度高、储电安全性高；
所述极性电解液由锂盐、极性溶剂、导电添加剂混合制成；
所述锂盐为高氯酸锂LiClO4，所述极性溶剂为极性碳酸乙烯酯溶剂或碳酸二乙酯DEC或碳酸二甲酯DMC或碳酸甲乙酯EMC，所述导电添加剂为双草酸硼酸锂LiBOB或冠醚；
所述硅负极材料的制备流程为：
（一）、分别选取一定量的锂盐、极性溶剂、导电添加剂加入混合容器并混合均匀，制成极性电解液；
（二）、将符合配比要求的纳米级硅材料加入搅拌容器中，然后加入符合配比要求的疏水性纳米气相SiO2粉末，再加入符合配比要求的步骤（一）制得的极性电解液，然后通过搅拌容器搅拌，所述搅拌容器搅拌的转速为3600r/min~4000 r/min、搅拌时间为2小时~4小时，所述纳米级硅材料搅拌后均匀分散于极性电解液中，制得具有凝胶态三维网状结构的硅负极材料。
上述制备流程制得的硅负极材料中，所述纳米级硅材料搅拌后均匀分散于极性电解液中，纳米级硅材料的不同粒子间通过气相SiO2表面的硅羟基产生氢键作用，另一方面气相SiO2中的氢键与极性溶剂中的氢键发生键合，气相SiO2 的原生粒子发生团聚，从而形成带有若干弱连接界面且由微孔构成的凝胶态三维网状结构，所述凝胶态三维网状结构的微孔尺寸均一。
一种高容量快充电池，所述高容量快充电池为锂电池，所述高容量快充电池包括正极、及负极、及设置于正极和负极之间的绝缘隔板、及电解液，所述正极与绝缘隔板之间填充电解液，所述正极包括正极集流板、正极涂层，所述负极与绝缘隔板之间填充上述硅负极材料；
所述正极集流板为铝AL，所述正极涂层为LiCoO2，所述负极为铜电极；
所述负极为浸润性栅格式电极，所述负极包括负极集流桥架、及格板、及铜格栅电极， 所述负极集流桥架为多个方格纵横排列构成的栅格体，单个所述方格设置有一格板，所述格板的两端面呈纤维状布置有多个铜格栅电极，单个所述方格构成为一电池储能方腔；
所述铜格栅电极周围为填充的硅负极材料；
所述格板和方格还分别成型有多个通孔，所述通孔为锂离子通孔，所述通孔锂离子能自由通过锂离子通孔，所述负极的锂离子能立体纵深式附着且流动顺畅。
所述浸润性栅格式电极参照专利号为“202121023474X” 、名称为“一种具有浸润性栅格式电极的高容量快充电池”中的浸润性栅格式电极。
本发明一种硅负极材料及使用该硅负极材料的高容量快充电池,其有益效果有：
1、所述硅负极材料具有凝胶态三维网状结构，能降低充放电阻力，便于Li离子的快速传递，从而使锂电池容量更高，循环性能更好；
2、所述硅负极材料的纳米级硅材料按照25%的比例，均匀分布于由气相二氧化硅形成的凝胶态三维网状结构中，所述气相二氧化硅的比表面积为380m2/g，由于气相二氧化硅比表面积大、吸附能量强、曲张弹性好，使得所述硅负极材料物理性能更稳定，通过凝胶态三维网状结构形成分散的膨胀空间，充放电时不会产生硅负极材料整体的体积膨胀，从而避免充放电时的体积膨胀、坍塌现象，从而大幅提高动力电池的能量密度；
3、由于气相二氧化硅的触变性，在充放电时，在剪切力、电场力作用下，凝胶态三维网状结构的弱连接界面被破坏，所述硅负极材料粘度下降、流动性好，从而加快充放电速度，充放电停止时，外部剪切力、电场力消失，气相二氧化硅的三维结构即氢键会自行恢复，硅负极材料粘度上升、安全性增大，从而稳定储存电能，所述气相二氧化硅的触变性为可逆触变性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例:
一种硅负极材料，所述硅负极材料具有凝胶态三维网状结构，所述硅负极材料由以下重量份的组分制成：
纳米级硅材料 25，
气相SiO2粉末 3，
极性电解液 72；
所述气相SiO2粉末为疏水性纳米气相SiO2粉末，所述疏水性纳米气相SiO2粉末的粒径为14nm；
所述极性电解液由锂盐、极性溶剂、导电添加剂混合制成；
所述锂盐为高氯酸锂LiClO4，所述极性溶剂为极性碳酸乙烯酯溶剂，所述导电添加剂为双草酸硼酸锂LiBOB；
所述硅负极材料的制备流程为：
（一）、分别选取锂盐0.3kg、极性溶剂0.22kg、导电添加剂0.2kg加入混合容器并混合均匀，制成极性电解液0.72kg；
（二）、将0.25kg纳米级硅材料加入搅拌容器中，然后加入0.03kg疏水性纳米气相SiO2粉末，再加入步骤（一）制得的0.72kg极性电解液，然后通过搅拌容器搅拌，所述搅拌容器搅拌的转速为3800r/min、搅拌时间为3小时，所述纳米级硅材料搅拌后均匀分散于极性电解液中，制得具有凝胶态三维网状结构的硅负极材料1kg。
一种高容量快充电池，所述高容量快充电池为锂电池，所述高容量快充电池包括正极、及负极、及设置于正极和负极之间的绝缘隔板、及电解液，所述正极与绝缘隔板之间填充电解液，所述正极包括正极集流板、正极涂层，所述负极与绝缘隔板之间填充上述硅负极材料；
所述正极集流板为铝AL，所述正极涂层为LiCoO2，所述负极为铜电极。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作一般技术手段的增减或替换，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种硅负极材料，其特征在于：
所述硅负极材料具有凝胶态三维网状结构，所述硅负极材料由以下重量份的组分制成：
纳米级硅材料 25，
气相SiO2粉末 2~50，
极性电解液 25~73。
2.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于，所述硅负极材料由以下重量份的组分制成：
纳米级硅材料 25，
气相SiO2粉末 3，
极性电解液 72。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种硅负极材料，其特征在于，所述气相SiO2粉末为疏水性纳米气相SiO2粉末，所述疏水性纳米气相SiO2粉末的粒径为7~40nm。
4.根据权利要求1或2任一项所述的一种硅负极材料，其特征在于，所述极性电解液由锂盐、极性溶剂、导电添加剂混合制成。
5.根据权利要求4所述的一种硅负极材料，其特征在于，所述锂盐为高氯酸锂LiClO4，所述极性溶剂为极性碳酸乙烯酯溶剂或碳酸二乙酯DEC或碳酸二甲酯DMC或碳酸甲乙酯EMC，所述导电添加剂为双草酸硼酸锂LiBOB或冠醚。
6.根据权利要求1或2任一项所述的一种硅负极材料，其特征在于，所述硅负极材料的制备流程为：
（一）、分别选取一定量的锂盐、极性溶剂、导电添加剂加入混合容器并混合均匀，制成极性电解液；
（二）、将符合配比要求的纳米级硅材料加入搅拌容器中，然后加入符合配比要求的疏水性纳米气相SiO2粉末，再加入符合配比要求的步骤（一）制得的极性电解液，然后通过搅拌容器搅拌，所述搅拌容器搅拌的转速为3600r/min~4000 r/min、搅拌时间为2小时~4小时，所述纳米级硅材料搅拌后均匀分散于极性电解液中，制得具有凝胶态三维网状结构的硅负极材料。
7.根据权利要求6所述的一种硅负极材料，其特征在于，所述制备流程制得的硅负极材料中，所述纳米级硅材料搅拌后均匀分散于极性电解液中，纳米级硅材料的不同粒子间通过气相SiO2表面的硅羟基产生氢键作用，另一方面气相SiO2中的氢键与极性溶剂中的氢键发生键合，气相SiO2 的原生粒子发生团聚，从而形成带有若干弱连接界面且由微孔构成的凝胶态三维网状结构，所述凝胶态三维网状结构的微孔尺寸均一。
8.一种高容量快充电池，所述高容量快充电池为锂电池，所述高容量快充电池包括正极、及负极、及设置于正极和负极之间的绝缘隔板、及电解液，所述正极与绝缘隔板之间填充电解液，所述正极包括正极集流板、正极涂层，所述负极与绝缘隔板之间填充如权利要求1至7任一项所述的硅负极材料。
9.根据权利要求8所述的一种高容量快充电池，其特征在于，所述正极集流板为铝AL，所述正极涂层为LiCoO2，所述负极为铜电极。
10.根据权利要求8所述的一种高容量快充电池，其特征在于，所述负极为浸润性栅格式电极，所述负极包括负极集流桥架、及格板、及铜格栅电极， 所述负极集流桥架为多个方格纵横排列构成的栅格体，单个所述方格设置有一格板，所述格板的两端面呈纤维状布置有多个铜格栅电极，单个所述方格构成为一电池储能方腔；
所述铜格栅电极周围为填充的硅负极材料；
所述格板和方格还分别成型有多个通孔，所述通孔为锂离子通孔，所述通孔锂离子能自由通过锂离子通孔，所述负极的锂离子能立体纵深式附着且流动顺畅。
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