一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法及在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明提供一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法及在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用，所述制片方法包括漿料制備步驟、涂布步驟、輥壓步驟，所述漿料包括碳硅、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑、去離子水。具有以下優(yōu)點(diǎn)：解決了硅基材料粘附性差的問(wèn)題，負(fù)極片漿料粘附性好，循環(huán)壽命長(zhǎng)，用負(fù)極片制備的電池具有能量密度高、安全性好的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法及在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法及在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用，屬于電池制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池普遍存在容量低、電池續(xù)航里程短的問(wèn)題，難以滿足消費(fèi)者對(duì)電池使用的需求，亟需開(kāi)發(fā)高比能的鋰離子電池。影響鋰離子電池的關(guān)鍵是材料，目前石墨負(fù)極的容量基本已經(jīng)達(dá)到極限，開(kāi)發(fā)新型的負(fù)極材料代替石墨迫在眉睫。硅基材料理論容量可達(dá)到4200mAh/g，是新一代電池制備首選的負(fù)極材料。然而，硅在嵌鋰過(guò)程存在巨大的體積變化，其體積膨脹高達(dá)300%-400%，硅的粉化致使電極結(jié)構(gòu)失穩(wěn)失效，進(jìn)而導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)崩塌和活性材料剝落而使電極失去電接觸，電極的容量隨之大幅度下降甚至完全失效。普通純硅，循環(huán)穩(wěn)定性非常差，循環(huán)5次后容量就從3000mA h/g以上幾乎降為零。通過(guò)碳包覆等處理的材料，已初步解決了硅基材料的膨脹問(wèn)題。然而由于硅材料硬、脆，制備成極片后容易出現(xiàn)團(tuán)聚、掉料、加工性差的問(wèn)題，限制了硅基在產(chǎn)業(yè)化模式下的應(yīng)用及高比能電池的研發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法及在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)以下發(fā)明目的:
解決了硅基材料粘附性差、掉粉、掉料等的問(wèn)題，負(fù)極片漿料粘附性好，涂布形貌好，循環(huán)壽命長(zhǎng)，用負(fù)極片制備的電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電效率高、安全性好等特點(diǎn)。
[0004]為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種娃碳材料負(fù)極片的制片方法，所述制片方法包括楽料制備步驟、涂布步驟、$昆壓步驟。
[0005]以下是對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):
所述漿料包括碳硅、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑、去離子水。
[0006]所述漿料，在不包括去離子水的情況下，其中碳硅、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑的質(zhì)量百分含量為碳硅90%-96%，導(dǎo)電劑1%-3.5%、分散劑2.5%_4%、粘結(jié)劑0.5%-2.5%。
[0007]所述去離子水與碳硅、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑的總質(zhì)量的質(zhì)量比為5-9:6。
[0008]所述分散劑為羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮，使得硅碳材料充分分散，避免產(chǎn)生團(tuán)聚，所述羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比為2-5:1。
[0009]所述粘結(jié)劑為乙稀-丁二稀橡膠。
[0010]所述漿料制備步驟，采用分散劑溶解、靜置，添加碳硅主粉并攪拌，添加粘結(jié)劑逐級(jí)溶解的形式進(jìn)行； 所述分散劑溶解，分散劑溶解過(guò)程中需進(jìn)行溫度控制，溶解溫度為10-40°C ;分散劑溶解后需靜置6-24小時(shí)。
[0011]所述涂布步驟，對(duì)漿料用200-300目篩網(wǎng)過(guò)篩，并在銅集流體上進(jìn)行涂布，涂布后用40-60°C、70-90°C、40-60°C度的方式進(jìn)行梯級(jí)升溫;所述涂布單面面密度在6_10 mg/cm2。
[0012]所述輥壓步驟，待涂布后的漿料干燥后進(jìn)行輥壓，壓實(shí)密度在0.8-1.6g/cm3。
[0013]—種硅碳材料負(fù)極片在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用，所述硅碳材料負(fù)極片用于制備高比能鋰離子電池，與負(fù)極片匹配的隔膜需為單面或雙面涂布陶瓷的隔膜材料，與負(fù)極片匹配的正極材料需采用鋰片、高容量三元材料和高壓尖晶石材料。
[0014]采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為:
1、解決了硅基材料粘附性差的問(wèn)題，制備的硅基材料負(fù)極片性能均勻、漿料粘附性好、涂布形貌良好，用負(fù)極片制備的電池具有能量密度高、安全性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
[0015]2、本發(fā)明負(fù)極片制備的電池，硅碳電池的循環(huán)性能得到了很好的提高，20周內(nèi)循環(huán)充放電容量基本都與石墨電池一致，充放電效率都在99%以上。
[0016]3、本發(fā)明負(fù)極片制備的倍率性能得到極大提升，制備的扣式電池，在2C和3C放電時(shí)，放電效率為95%和85%,明顯尚于現(xiàn)有制片技術(shù)制備的以娃碳為負(fù)極的電池，尚于或接近以石墨為負(fù)極制備的電池。
[0017]4、利用本發(fā)明硅碳負(fù)極片制備的電池容量、循環(huán)、倍率性能都得到了很大提升;宏觀表現(xiàn)上，電池的容量和倍率性已明顯優(yōu)于石墨負(fù)極。
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0019]附圖1本發(fā)明制備的負(fù)極片與三元材料匹配制備的紐扣電池循環(huán)測(cè)試結(jié)果；
附圖2本發(fā)明制備的負(fù)極片與三元材料匹配制備的紐扣電池倍率測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]實(shí)施例1一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法步驟I楽料制備
(I)所述漿料，在不包括去離子水情況下，各原料組分的質(zhì)量比例為:
碳硅90%、導(dǎo)電劑3.5%、分散劑4 %、粘結(jié)劑2.5 %。
[0022]所述漿料還包括去離子水，所述去離子水與以上物質(zhì)的總質(zhì)量的質(zhì)量比為3:2。
[0023]所述導(dǎo)電劑為8即61—?、石墨稀，8即61—?、石墨稀的質(zhì)量比為4:3。
[0024]所述分散劑為羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮，使得硅碳材料充分分散，避免產(chǎn)生團(tuán)聚，所述羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比為5:1。
[0025]所述粘結(jié)劑為乙烯-丁二烯橡膠，粘結(jié)劑具有破乳作用。
[0026](2)漿料制備方法
漿料制備過(guò)程采用溶解分散劑、靜置、添加碳硅主粉并攪拌，添加乙烯-丁二烯橡膠逐級(jí)溶解的形式進(jìn)行；
所述分散劑溶解，分散劑添加到去離子水中溶解，分散劑溶解過(guò)程中需進(jìn)行溫度控制，溶解溫度為10-40 °C ;
所述靜置分散劑溶解后需靜置6-24小時(shí)，使分散劑支鏈結(jié)構(gòu)充分伸展，以便于硅碳材料進(jìn)行充分分散。
[0027]步驟2涂布
對(duì)上述楽■料用200-300目篩網(wǎng)過(guò)篩，并在銅集流體上進(jìn)彳丁涂布，涂布后用40-60 °C、70_90°C、40-60°C度的方式進(jìn)行梯級(jí)升溫；
所述涂布單面面密度在6-10 mg/cm2。
[0028]步驟3輥壓
待涂布后的漿料干燥后進(jìn)行輥壓，輥壓過(guò)程需嚴(yán)格控制壓實(shí)密度，保證壓實(shí)密度在
0.8-1.6g/cm3 之間。
[0029]實(shí)施例2—種硅碳材料負(fù)極片的制片方法步驟I楽料制備
(I)所述漿料，在不包括去離子水情況下，各原料組分的質(zhì)量比例為:
碳硅96%、導(dǎo)電劑1%、分散劑2.5%、粘結(jié)劑0.5%。
[0030]所述漿料還包括去離子水，所述去離子水與以上物質(zhì)的總質(zhì)量的質(zhì)量比為5:6。
[0031]所述導(dǎo)電劑為導(dǎo)電劑為super-p、納米碳管，super-p、納米碳管的質(zhì)量比為1:1。
[0032]所述分散劑為羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮，所述羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比為2:1。
[0033]所述粘結(jié)劑為乙烯-丁二烯橡膠，粘結(jié)劑具有破乳作用。
[0034](2)漿料制備方法
漿料制備過(guò)程采用溶解分散劑、靜置、添加碳硅主粉并攪拌，添加乙烯-丁二烯橡膠逐級(jí)溶解的形式進(jìn)行；
所述分散劑溶解，分散劑添加到去離子水中溶解，分散劑溶解過(guò)程中需進(jìn)行溫度控制，溶解溫度為10-40 °C ;
所述靜置分散劑溶解后需靜置6-24小時(shí)，使分散劑支鏈結(jié)構(gòu)充分伸展，以便于硅碳材料進(jìn)行充分分散。
[0035]步驟2涂布
對(duì)上述楽■料用200-300目篩網(wǎng)過(guò)篩，并在銅集流體上進(jìn)彳丁涂布，涂布后用40-60 °C、70_90°C、40-60°C度的方式進(jìn)行梯級(jí)升溫；
所述涂布單面面密度在6-10 mg/cm2。
[0036]步驟3輥壓
待涂布后的漿料干燥后進(jìn)行輥壓，輥壓過(guò)程需嚴(yán)格控制壓實(shí)密度，保證壓實(shí)密度在
0.8-1.6g/cm3 之間。
[0037]實(shí)施例3—種硅碳材料負(fù)極片的制片方法步驟I楽料制備
(I)所述漿料，在不包括去離子水情況下，各原料組分的質(zhì)量比例為:
碳硅9 2%、導(dǎo)電劑3%、分散劑3%、粘結(jié)劑2%。
[0038]所述漿料還包括去離子水，所述去離子水與以上物質(zhì)的總質(zhì)量的質(zhì)量比為1:1。
[0039]所述導(dǎo)電劑為super-p，ks-6，二者質(zhì)量比為2:1。
[0040]所述分散劑為羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮，所述羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比為3:1。
[0041]所述粘結(jié)劑為乙烯-丁二烯橡膠，粘結(jié)劑具有破乳作用。
[0042](2)漿料制備方法
漿料制備過(guò)程采用溶解分散劑、靜置、添加碳硅主粉并攪拌，添加乙烯-丁二烯橡膠逐級(jí)溶解的形式進(jìn)行；
所述分散劑溶解，分散劑添加到去離子水中溶解，分散劑溶解過(guò)程中需進(jìn)行溫度控制，溶解溫度為10-40 °C ;
所述分散劑溶解后需靜置6-24小時(shí)，使分散劑支鏈結(jié)構(gòu)充分伸展，以便于硅碳材料進(jìn)行充分分散。
[0043]步驟2涂布
對(duì)上述楽■料用200-300目篩網(wǎng)過(guò)篩，并在銅集流體上進(jìn)彳丁涂布，涂布后用40-60 °C、70_90°C、40-60°C度的方式進(jìn)行梯級(jí)升溫；
所述涂布單面面密度在6-10 mg/cm2。
[0044]步驟3輥壓待涂布后的漿料干燥后進(jìn)行輥壓，輥壓過(guò)程需嚴(yán)格控制壓實(shí)密度，保證壓實(shí)密度在
0.8-1.6g/cm3 之間。
[0045]實(shí)施例4一種硅碳材料負(fù)極片在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用
本方法制備的負(fù)極片適合制備高比能鋰離子電池，與之匹配所用電解液耐高溫、耐高壓性能優(yōu)異，與之匹配的隔膜需為單面或雙面涂布陶瓷的隔膜材料，與之匹配的正極材料需采用鋰片、高容量三元材料和高壓尖晶石材料。
[0046]試驗(yàn)結(jié)果:
(I)采用傳統(tǒng)制片工藝對(duì)硅碳負(fù)極漿料涂布后出現(xiàn)掉料、露箔等現(xiàn)象，不適合批量應(yīng)用，而本發(fā)明制備的硅碳負(fù)極漿料涂布后粘附性好、涂布形貌良好，不易產(chǎn)生掉料、露箔等現(xiàn)象。
[0047](2)傳統(tǒng)方式制備的以硅碳為負(fù)極的電池循環(huán)性能非常差，容量保持率明顯低于以石墨材料為負(fù)極的電池，本發(fā)明制備的電池，硅碳電池的循環(huán)性能得到了很好的提高，20周內(nèi)循環(huán)充放電容量基本都與石墨電池一致，充放電效率都在99%以上，具體指標(biāo)見(jiàn)附圖1。
[0048](3)傳統(tǒng)方式制備的以硅碳為負(fù)極的電池，2C和3C放電時(shí)，放電效率僅為87.1%和73.2%，而以石墨為負(fù)極的電池而言，2C和3C放電時(shí)，其放電效率分別為94.6%和90.4%，故硅碳負(fù)極材料的倍率性能比石墨差。
[0049]當(dāng)硅碳負(fù)極極片用本發(fā)明制備后，其電池倍率的整體變化趨勢(shì)與用油系制備相似，但放電效率有極大提升，2C和3(:放電時(shí)，放電效率為95%和85%，2C放電放電效率已然高于石墨電池，盡管3C放電效率比石墨略低，但放電終止時(shí)，放電容量卻高于石墨電池，結(jié)果表明經(jīng)用新工藝制備硅碳負(fù)極極片后，電池的容量、循環(huán)、倍率性能都得到了很大提升，宏觀表現(xiàn)上，電池的容量和倍率性已明顯優(yōu)于石墨負(fù)極，具體指標(biāo)見(jiàn)附圖2。
[0050]最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種娃碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述制片方法包括楽料制備步驟、涂布步驟、輥壓步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述漿料包括碳娃、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑、去離子水。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述漿料，在不包括去離子的情況下，其中碳娃、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑的質(zhì)量百分含量為碳娃90%-96%，導(dǎo)電劑 1%-3.5%、分散劑 2.5%-4%、粘結(jié)劑 0.5%-2.5%。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述去離子水與碳硅、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑的總質(zhì)量的質(zhì)量比為5-9:6。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述分散劑為羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮，使得硅碳材料充分分散，避免產(chǎn)生團(tuán)聚，所述羥甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比為2-5:1。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述粘結(jié)劑為乙稀-丁二稀橡膠。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述漿料制備步驟，采用分散劑溶解、靜置，添加碳硅主粉并攪拌，添加粘結(jié)劑逐級(jí)溶解的形式進(jìn)行； 所述分散劑溶解，分散劑溶解過(guò)程中需進(jìn)行溫度控制，溶解溫度為10-40 V ；分散劑溶解后需靜置6-24小時(shí)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種娃碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述涂布步驟，對(duì)楽■料用200-300目篩網(wǎng)過(guò)篩，并在銅集流體上進(jìn)彳丁涂布，涂布后用40_60°C、70_90°C、40-60°C度的方式進(jìn)行梯級(jí)升溫;所述涂布單面面密度在6-10 mg/cm2。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅碳材料負(fù)極片的制片方法，其特征在于:所述輥壓步驟，待涂布步驟后的漿料干燥后進(jìn)行輥壓，壓實(shí)密度在0.8-1.6g/cm3。10.—種娃碳材料負(fù)極片在高比能鋰離子電池中的應(yīng)用，其特征在于:所述娃碳材料負(fù)極片用于制備高比能鋰離子電池，與負(fù)極片匹配的隔膜需為單面或雙面涂布陶瓷的隔膜材料，與負(fù)極片匹配的正極材料需采用鋰片、高容量三元材料和高壓尖晶石材料。
【文檔編號(hào)】H01M4/38GK106058156SQ201610328826
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】馮麗娟, 李成杰, 王盈盈, 代漢博, 張雪梅, 張君楠, 張風(fēng)太
【申請(qǐng)人】山東威能環(huán)保電源科技股份有限公司