CN117133870A - 一种垂直多孔道硅电极的制备方法、产品及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直多孔道硅电极的制备方法、产品及应用，属于硅负极材料及电极制备技术领域，如下步骤：S1：将氢氧化锂和聚丙烯酸按质量比3:10～7:10加入超纯水中，在室温下充分搅拌，配置成一定浓度的粘结剂；S2：将硅粉、导电炭以及步骤S1所配置的粘结剂按照一定质量比制成浆料；S3：将S2中配置的浆料涂覆在集流体表面，并在真空环境下干燥，得到多孔电极。本发明对多孔硅电极的制备方法简单有效，易操作，能够利用多孔结构为电极的体积膨胀提供容纳空间，减少硅负极破碎和活性材料脱落，提高锂电池的循环性能和使用寿命，并利用硅酸锂包覆在硅表面，以提高电极整体的机械性能，缓冲充放电过程中电极的体积膨胀，提升了电极结构的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于硅负极材料及电极制备技术领域，具体涉及一种垂直多孔道硅电极的制备方法、产品及应用。
背景技术
随着科学技术的快速发展，电池在日常生活中越来越重要。特别是在新能源汽车、可穿戴设备等领域，对电池性能的要求越来越高。锂离子电池因其优良的性能，成为了目前最受欢迎的一种可充电电池。然而，锂离子电池仍然存在一定的局限性，如容量不足、循环性能差等问题。因此，研究者们一直在研究如何提高锂离子电池的性能，以满足不断增长的需求。
硅负极材料因其高的理论比容量(约4200mAh/g)而受到广泛关注，是锂离子电池性能提升的研究热点。然而，硅负极材料在充放电过程中会发生大量的体积膨胀和收缩，导致硅颗粒破碎、电极结构破坏、固体电解质界面(SEI)不断重生成等问题，从而影响电池的循环性能。
为了解决硅负极的体积膨胀问题，研究人员采用了多种策略，如设计不同形貌的硅纳米结构、改善硅与导电剂/粘结剂的界面相互作用等。这些方法虽然可以在一定程度上缓解硅负极的体积膨胀及循环寿命，但其制作工艺复杂，成本较高，无法满足大批量生产的应用需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种垂直多孔道硅电极的制备方法、产品及应用，以解决传统锂离子电池硅负极在充放电过程中容易开裂以及无法做到高载量的问题，提高硅负极在锂离子电池中的循环使用寿命。
为实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种垂直多孔道硅电极的制备方法，以在硅电极表面包覆机械性能优良的硅酸锂，并生成多孔结构，形成多孔电极，进而提高硅电极结构的稳定性，具体包括如下步骤：
S1：将氢氧化锂和聚丙烯酸按质量比3:10～7:10加入超纯水中，在室温下充分搅拌，配置成一定浓度的粘结剂；
S2：将硅粉、导电炭以及步骤S1所配置的粘结剂按照一定质量比制成浆料；
S3：将S2中配置的浆料涂覆在集流体表面，并在真空环境下干燥，得到多孔电极。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中搅拌时间为6～12h。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中配置的粘结剂的浓度为30～100mg/ml。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中的导电炭为导电炭黑、科琴黑、乙炔黑。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述硅粉、导电炭和粘结剂的质量比为(60-80):(20-10):(20-10)。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述硅粉、导电炭和粘结剂的质量比为70:15:15。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，将涂覆有浆料的集流体放置在真空干燥箱中，并在60～100℃下干燥6～12h。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述浆料的涂覆厚度为10-100um。
本发明的另一个方面，提供一种垂直多孔道硅负极，并利用上述垂直多孔道硅电极的制备方法制备而成。
本发明的另一个方面，提供一种锂离子电池，将上述垂直多孔道硅电极作为锂离子电池的负极材料应用。
上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：
(1)本发明的垂直多孔道硅电极的制备方法，在对硅电极进行制备时，通过配置含过量氢氧化锂的粘结剂，以在调制浆料过程中，将氢氧化锂与硅表面反应，生成硅酸锂和氢气，并将浆料均匀涂覆在集流体表面后，将集流体放置在真空环境下，以通过氢气的溢出，在电极表面生成垂直于集流体的孔道，进而形成多孔结构，以在多孔硅电极应用于锂离子电池时，利用硅酸锂缓冲硅嵌锂过程中的体积膨胀，提升电极结构的稳定性，并提高硅表面传输锂离子的能力，改善电池倍率性能；并利用多孔结构容纳硅负极在充放电过程中的体积膨胀，减少硅负极破碎和活性材料脱落，提高锂电池的循环性能和使用寿命，同时，该多孔结构还能。提高电解液的浸润性和锂离子的扩散速率，从而提高电池的倍率性能。
(2)本发明的垂直多孔道硅电极的制备方法，其制备方法简单有效，易操作，利用多孔结构解决充放电过程中因硅负极放生大量体积膨胀而导致的硅颗粒破碎、电极结构破坏等问题，同时利用硅酸锂包覆在硅表面，改善了硅负极表面性质，进一步优化了电池性能，具有较好的应用前景和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中垂直多孔道的硅电极的SEM图；
图2是本发明实施例1中垂直多孔道的硅电极的循环曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明优选实施例中的垂直多孔道的硅电极的制备方法，具体包括如下步骤：
S1：将氢氧化锂和聚丙烯酸按质量比3:10～7:10加入超纯水中，在室温下充分搅拌，配置成一定浓度的粘结剂；
优选地，将氢氧化锂和聚丙烯酸按照设定质量比加入超纯水后，在室温下搅拌6～12h，形成一定浓度的粘结剂，并进一步优选粘结剂的浓度为30～100mg/ml。
S2：将硅粉、导电炭以及步骤S1所配置的粘结剂按照一定质量比制成浆料；
优选实施例中的导电炭可以是导电炭黑、科琴黑以及乙炔黑等的任一种，具体根据所需的导电性及储能密度进行选择。
优选地，将硅粉、导电炭和粘结剂按照质量比为(60-80):(20-10):(20-10)进行混合制成浆料，进一步优选为70:15:15。
S3：将S2中配置的浆料涂覆在集流体表面，并在真空环境下干燥，得到多孔电极。
可以理解的是，步骤S1中将氢氧化锂和聚丙烯酸按质量比3:10～7:10在超纯水中混合后形成的粘结剂中，含有过量的氢氧化锂，使溶液呈碱性，其在步骤S2调制浆料的过程中会与硅表面反应，生成硅酸锂和氢气，其具体的反应方程式为：
2LiOH+Si+H2O--Li2SiO3+2H2
将浆料涂覆在集流体表面，以将硅粘结在集流体上，形成电极；同时，浆料中的过量的氢氧化锂与硅反应，生成的硅酸锂包覆在硅表面，以利用硅酸锂优良的机械性能缓冲硅嵌锂过程中的体积膨胀，提升电极结构的稳定性，并提高硅表面传输锂离子的能力，改善电池倍率性能。
同时，过量的氢氧化锂与硅反应产生的氢气在真空状态下会从电极的内部溢出，在电极中留下垂直于集流体的孔道，在集流体表面形成多孔结构，形成垂直多孔道硅电极。优选实施例中将其应用于锂离子电池的负极材料时，利用硅电极表面的多孔结构，提高电解液的浸润性和锂离子的扩散速率，从而提高电池的倍率性能。同时，多孔结构也可以在负极材料充放电过程中容纳硅负极的体积膨胀，减少硅负极破碎和活性材料脱落，提高锂电池的循环性能和使用寿命。
优选地，将浆料均匀涂覆在集流体表面，其涂覆厚度为10-100um，经将涂覆后的集流体放置在真空干燥箱中，并在60～100℃下进行干燥6～12h。
优选实施例中的集流体为铜箔。
一些具体实施例中，一种垂直多孔道的硅负极的具体制备方法，包括如下步骤：
S1：将氢氧化锂和聚丙烯酸按质量比0.3-0.7加入超纯水中，室温下搅拌6-12h，配置成一定浓度(30-100mg/mL)的粘结剂；
S2：将硅粉、导电炭与步骤S1所配置的粘结剂按照质量比70:15:15的重量比例制成浆料；
S3：将所得浆料均匀涂覆于铜箔表面，放置于真空干燥箱中60-100度干燥6-12h，得到多孔电极。
实施例1
S1：将240mg氢氧化锂和480mg聚丙烯酸加入72mL超纯水中，室温下搅拌12h，配置成粘结剂；
S2：将硅粉、导电炭与步骤S1所配置的粘结剂按照质量比70:15:15的重量比例制成浆料；
S3：将所得浆料均匀涂覆于铜箔表面，放置于真空干燥箱中80度干燥12h，得到多孔电极。
实施例2
S1：将150mg氢氧化锂和500mg聚丙烯酸加入65mL超纯水中，室温下搅拌12h，配置成粘结剂。
S2：将硅粉、导电炭与步骤S1所配置的粘结剂按照质量比70:15:15的重量比例制成浆料；
S3：将所得浆料均匀涂覆于铜箔表面，放置于真空干燥箱中80度干燥12h，得到多孔电极。
实施例3
S1：将140mg氢氧化锂和200mg聚丙烯酸加入34mL超纯水中，室温下搅拌12h，配置成粘结剂。
S2：将硅粉、导电炭与步骤S1所配置的粘结剂按照质量比70:15:15的重量比例制成浆料；
S3：将所得浆料均匀涂覆于铜箔表面，放置于真空干燥箱中80度干燥12h，得到多孔电极。
图1实施例1的SEM图，由图可以看出本发明成功制备出多孔电极。
图2实施例1的循环曲线图，其中电解液是1M LiPF6为电解质的EC/DEC(体积比1:1)溶液，并加入质量分数为5％的FEC添加剂。电极的载量为1.8mg/cm2测试电流密度为2000mA g-1，电压窗口为0.01-1.5V。从图中可以看出，即使在高载量的情况下，本发明制备的多孔电极也能稳定循环。
本发明中的垂直多孔道硅电极的制备方法、产品及应用，其制备方法简单有效，易操作，利用多孔结构解决充放电过程中因硅负极放生大量体积膨胀而导致的硅颗粒破碎、电极结构破坏等问题，同时利用硅酸锂包覆在硅表面，改善了硅负极表面性质，进一步优化了电池性能，具有较好的应用前景和推广价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将氢氧化锂和聚丙烯酸按质量比3:10～7:10加入超纯水中，在室温下充分搅拌，配置成一定浓度的粘结剂；
S2：将硅粉、导电炭以及步骤S1所配置的粘结剂按照一定质量比制成浆料；
S3：将S2中配置的浆料涂覆在集流体表面，并在真空环境下干燥，得到多孔电极。
2.根据权利要求1所述的垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中搅拌时间为6～12h。
3.根据权利要求2所述的垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中配置的粘结剂的浓度为30～100mg/ml。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，步骤S2中的导电炭为导电炭黑、科琴黑、乙炔黑。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述硅粉、导电炭和粘结剂的质量比为(60-80):(20-10):(20-10)。
6.根据权利要求5所述的垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述硅粉、导电炭和粘结剂的质量比为70:15:15。
7.根据权利要求1所述的垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，步骤S3中，将涂覆有浆料的集流体放置在真空干燥箱中，并在60～100℃下干燥6～12h。
8.根据权利要求1所述的垂直多孔道硅电极的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述浆料的涂覆厚度为10-100um。
9.一种垂直多孔道的硅电极，其特征在于，利用权利要求1～8中任一项所述的垂直多孔道硅电极的制备方法制备而成。
10.一种锂离子电池，其特征在于，将权利要求9中的垂直多孔道硅电极作为锂离子电池的负极材料应用。
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| CN202311013965.XA CN117133870A (zh) | 2023-08-11 | 2023-08-11 | 一种垂直多孔道硅电极的制备方法、产品及应用 |
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| CN117133870A true CN117133870A (zh) | 2023-11-28 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311013965.XA Pending CN117133870A (zh) | 2023-08-11 | 2023-08-11 | 一种垂直多孔道硅电极的制备方法、产品及应用 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117133870A (zh) |
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2023
- 2023-08-11 CN CN202311013965.XA patent/CN117133870A/zh active Pending
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