CN212033138U - 一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池负极材料技术领域，具体地说是一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层。一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，包括集流体层、活性层、平流层，其特征在于：位于集流体层的表面设有活性层，活性层的上方覆盖平流层；所述的集流体层为光滑的铜箔；所述的活性层由若干碳包裹硅纳米颗粒组成；所述的平流层为硅碳与石墨混合体结构。同现有技术相比，提供一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，克服了硅作为锂电池负极时体积膨胀导致的循环稳定性差的问题。

Description

一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层

技术领域

本实用新型涉及锂电池负极材料技术领域，具体地说是一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层。

背景技术

随着社会的高速发展，能源危机和化石原料燃烧所带来的环境问题日益严峻，研发高效、可重复利用的储能材料，提高对现有可再生能源的利用率迫在眉睫。锂离子电池作为最有前途的储能材料之一，因具有循环寿命长、能量密度大、自放电率低、热稳定性能好、记忆效应不明显等优势，已成为新型能源领域的研究热点。锂离子负极材料通常包括碳基负极材料、硅基负极材料、锡基负极材料、金属锂负极材料等，不同的材料基底赋予材料不同的性能特点，当前，锂电池主要负极材料为改性石墨、中间相碳微球等。这两类材料容量较低，石墨理论比容量372mAh/g，实际比容量365mAh/g。它限制锂电池比能量进一步提高。硅类负极材料理论储锂比容量高达4200mAh/g(Li22Si5)，电极电位适中。硅储量丰富，环境友好。硅材料在脱/嵌锂中存在剧烈的体积效应(>300％)，充放电过程中电极活性物质容易脱落、粉化。它在电解液中不断形成电解质界面(SEI)膜，使充放电效率降低，电解液不断被消耗使电池内阻变大，容量衰减。硅导电性差，严重阻碍纯相硅作为锂离子电池负极材料应用进程。硅/碳复合负极材料中硅作为活性物质锂间层，提供储锂容量；碳作为分散基质，限制硅颗粒的体积变化，构成导电网络。硅/碳复合负极材料兼具两者优点，有希望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。

发明内容

本实用新型为克服现有技术的不足，提供一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，克服了硅作为锂电池负极时体积膨胀导致的循环稳定性差的问题。

为实现上述目的，设计一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，包括集流体层、活性层、平流层，其特征在于：位于集流体层的表面设有活性层，活性层的上方覆盖平流层；所述的集流体层为光滑的铜箔；所述的活性层由若干碳包裹硅纳米颗粒组成；所述的平流层为硅碳与石墨混合体结构。

所述的碳包裹硅纳米颗粒包括纳米硅颗粒、小尺寸纳米碳颗粒、大尺寸纳米碳颗粒，位于纳米硅颗粒的表面包覆两层纳米碳颗粒层，内层为小尺寸纳米碳颗粒，外层为大尺寸纳米碳颗粒；所述的小尺寸纳米碳颗粒的颗粒直径为2-10nm；所述的大尺寸纳米碳颗粒的颗粒直径为5-300nm。

所述的平流层的硅碳与石墨混合体，其混合质量比为5-10：95-90。

所述的平流层采用滚涂或者刮涂工艺与活性层及集流体层结合。

所述的活性层包括立方柱、锥状、半圆体状结构。

所述的平流层具有流淌性，平流层完全覆盖活性层，并渗透到活性层下方形成不连续的插入层。

本实用新型同现有技术相比，提供一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，克服了硅作为锂电池负极时体积膨胀导致的循环稳定性差的问题。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为碳包裹硅纳米颗粒结构示意图。

图3为本实用新型制得锂电池的效果图。

图4、图5为不同形状的活性层的构示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1，所示，位于集流体层1的表面设有活性层2，活性层2的上方覆盖平流层3；所述的集流体层1为光滑的铜箔；所述的活性层2由若干碳包裹硅纳米颗粒组成；所述的平流层3为硅碳与石墨混合体结构。

碳包裹硅纳米颗粒包括纳米硅颗粒、小尺寸纳米碳颗粒、大尺寸纳米碳颗粒，位于纳米硅颗粒4的表面包覆两层纳米碳颗粒层，内层为小尺寸纳米碳颗粒5，外层为大尺寸纳米碳颗粒6；所述的小尺寸纳米碳颗粒5的颗粒直径为2-10nm；所述的大尺寸纳米碳颗粒6的颗粒直径为5-300nm。

平流层3的硅碳与石墨混合体，其混合质量比为5-10：95-90。

平流层3采用滚涂或者刮涂工艺与活性层2及集流体层1结合。

活性层2包括立方柱、锥状、半圆体状结构。

所述的平流层3具有流淌性，平流层3完全覆盖活性层2，并渗透到活性层2下方形成不连续的插入层。

碳包裹硅纳米颗粒的制得：将金刚线切割硅片的含硅水溶液，压滤成含水为20-30％的硅泥；将硅泥与小分子碳合物水溶液充分混合，形成硅浆，硅泥与碳合物的质量比为6～9：4～1；硅浆放入真空炉中，在氮气保护下烧结，去除水分，并低温碳化，烧结温度为500-600℃，形成大颗粒块状硅，获得小尺寸纳米碳颗粒5包裹的硅纳米颗粒；将块状硅与高分子水相或有机相碳材料混合，混合质量比为5～8：5～2，通过磨浆工艺，包括球磨、砂磨、辊磨、高速剪切混合等技术制得硅碳浆液；用微纳米气泡快速发生装置处理硅碳浆液，在不除泡的情况下，将以上浆液直接放置到真空烧结路中，氮气保护下，700-800℃烧结2-4小时，自然冷却到室温。完成小尺寸纳米碳颗粒5包裹的碳包裹硅纳米颗粒；粉碎粉筛后获得如图2所示结构的外形不规则的碳包裹硅纳米颗粒。

本实用新型结构的制得：集流体层1为光滑的铜箔，活性层2是具有一定图形结构的，复合在集流体层1表面的硅碳材料；平流层3完全覆盖活性层2，并渗透到活性层2下方形成不连续的插入层。

活性层2为图2所述的硅碳复合材料，通过压印、丝印等形成规则的图形结构，包括立方柱、锥状、半圆体状等，如图4，图5所示。

平流层3为硅碳与石墨(软碳)混合体，混合质量比为5-10：95-90，通过刮涂工艺实现，表面光滑。刮涂具有一度的流淌性，在活性层2与集流体层1之间形成不连续的插入层。

实施例：

将金刚线切割硅片的含硅水溶液，压滤成含水为20％的硅泥；将硅泥与壳聚糖水溶液(30％固含量)搅拌充分混合，形成硅浆。其中，硅泥与壳聚糖的质量比为8：2。硅碳浆倒入石墨坩埚内后，放入真空炉中，在氮气保护下烧结。先300℃烘烤30min去除水分，再升温至600℃，保温1小时后氮气保护下冷却至常温。硅碳浆烧结成块。将以上硅碳块与沥青液通过球磨混合工艺混合，硅碳块与沥青的质量比为7：3。用微纳米气泡快速发生装置处理以上混合浆液，在不除泡的情况下，将以上浆液直接放置到真空烧结路中，氮气保护下，800℃烧结4小时，冷却到室温，获得大颗粒硅碳复合物。经高速剪切粉碎和粉筛后获得如图2所示结构的外形不规则的碳包硅颗粒。

一种锂离子电池硅碳负极膜层，如图1所示，集流体层1为铜箔。活性层2通过压印工艺形成方柱状阵列结构，活性层2为如图2所示的双层包裹的碳硅纳米复合材料。平流层3通过刮涂方式复合在活性层2的表面，平流层3中的固体物质为图2所示的碳硅纳米复合材料与石墨的混合物，混合质量比5：95。通过刮涂及由上而下的压力，在活性层2和平流层3的接触面上形成渗透，在活性层2与集流体层1之间形成不连续的平流层3，有效提高界面接触，降低阻抗，促进锂离子的迁移，提高锂离子电导率，使锂离子电池硅碳负极极片的使用安全性得到极好的保障。可以提高负极膜层的电子电导率，降低极化作用，提升其倍率性能及比容量。

在现有技术的石墨负极中掺入少量的硅碳复合颗粒，可以降低负极膜层中两种材料的阻抗，促进锂离子的迁移，提高锂离子电导率，降低极化作用，提升其倍率性能及比容量。硅碳材料形成的负极膜层将石墨负极的比容量提高至450mAh/g以上，如图3所示。通过硬碳的双层包裹，以及膜层制作中硬碳与软碳(石墨)的相结合，进一步提高了负极膜层的工作稳定性。

Claims (5)

1.一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，包括集流体层、活性层、平流层，其特征在于：位于集流体层（1）的表面设有活性层（2），活性层（2）的上方覆盖平流层（3）；所述的集流体层（1）为光滑的铜箔；所述的活性层（2）由若干碳包裹硅纳米颗粒组成；所述的平流层（3）为硅碳与石墨混合体结构。

2.根据权利要求1所述的一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，其特征在于：所述的碳包裹硅纳米颗粒包括纳米硅颗粒、小尺寸纳米碳颗粒、大尺寸纳米碳颗粒，位于纳米硅颗粒（4）的表面包覆两层纳米碳颗粒层，内层为小尺寸纳米碳颗粒（5），外层为大尺寸纳米碳颗粒（6）；所述的小尺寸纳米碳颗粒（5）的颗粒直径为2-10nm；所述的大尺寸纳米碳颗粒（6）的颗粒直径为5-300nm。

3.根据权利要求1所述的一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，其特征在于：所述的平流层（3）采用滚涂或者刮涂工艺与活性层（2）及集流体层（1）结合。

4.根据权利要求1所述的一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，其特征在于：所述的活性层（2）包括立方柱、锥状、半圆体状结构。

5.根据权利要求1所述的一种碳包裹硅纳米颗粒作为锂电池的负极膜层，其特征在于：所述的平流层（3）具有流淌性，平流层（3）完全覆盖活性层（2），并渗透到活性层（2）下方形成不连续的插入层。

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