本發(fā)明涉及鋰離子電池，尤其涉及一種核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、本發(fā)明背景技術(shù)中公開的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

2、石墨是商業(yè)化鋰離子電池的主要負(fù)極材料，但是其低的理論比容量限制了電池的能量密度。所以近年來針對高理論比容量的合金型負(fù)極材料的研究收到廣泛關(guān)注，比如硅、磷、錫、和鍺等。但是合金型負(fù)極在循環(huán)過程中的巨大的體積膨脹使它們?nèi)萘克p很快，很難實(shí)際應(yīng)用到商業(yè)化鋰離子電池中。

3、實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)添加少量的硅基材料到石墨負(fù)極中，但是往往存在操作復(fù)雜、均勻性較差、石墨與硅顆粒之間接觸不良的問題，而且負(fù)載的大顆粒的硅會(huì)快速破碎脫落。

4、因此，如何提供一種硅顆粒負(fù)載均勻且具有良好電化學(xué)性能的硅@石墨負(fù)極材料及其高效制備方法，是亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極及其制備方法和應(yīng)用，解決了現(xiàn)有技術(shù)中硅@石墨負(fù)極材料制備過程復(fù)雜、均勻性差、循環(huán)穩(wěn)定性不佳的問題。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極的制備方法，包括如下步驟：

3、將石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑與溶劑混合制備電極漿料，然后涂布在集流體上，干燥后得到石墨電極；

4、將所述石墨電極浸泡在含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液中，取出后直接浸泡在四氯化硅或四溴化硅溶液中，室溫干燥后即得。

5、優(yōu)選的，所述將石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑與溶劑混合制備電極漿料步驟中，導(dǎo)電劑選自炭黑、導(dǎo)電石墨、碳納米管或納米碳纖維中的一種或多種，粘結(jié)劑選自聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或羧甲基纖維素鈉中的一種或多種，集流體選自不銹鋼、銅、鈦、銀、鍍錫銅、鍍鎳銅和鍍銀銅中的一種或多種，溶劑選自n-甲基吡咯烷酮或水。

6、優(yōu)選的，所述將石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑與溶劑混合制備電極漿料步驟中，石墨、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的用量比為(85～95)：(2～8)：(2～8)。

7、優(yōu)選的，所述多環(huán)芳烴選自萘、聯(lián)苯、甲基聯(lián)苯、乙基聯(lián)苯、丙基聯(lián)苯或丁基聯(lián)苯中的一種或多種。

8、優(yōu)選的，所述含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液和四氯化硅或四溴化硅溶液的溶劑各自獨(dú)立地選自2-甲基四氫呋喃、四氫吡喃、環(huán)戊基甲醚中的一種或多種。

9、優(yōu)選的，在所述含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液中的浸泡時(shí)間為4～60min；在所述四氯化硅或四溴化硅溶液中的浸泡時(shí)間為4～60min。

10、優(yōu)選的，所述含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液中，多環(huán)芳烴的濃度為0.2～1mol/l，鋰箔和多環(huán)芳烴的摩爾比為(1.5～2.5):1；所述四氯化硅或四溴化硅溶液的濃度為0.01～0.1mol/l。

11、第二方面，本發(fā)明提供了上述制備方法制備得到的核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極。

12、第三方面，本發(fā)明提供了上述核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極在鋰離子電池中的應(yīng)用。

13、第四方面，本發(fā)明提供了一種鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液，所述負(fù)極為上述核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得了以下有益效果：

15、(1)本發(fā)明在室溫下合成了核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極，只需要經(jīng)過簡單的制漿涂膜和兩步浸泡工藝即可完成，操作非常簡單，設(shè)備成本低，有利于大規(guī)模制備。

16、(2)本發(fā)明首先通過室溫合成鋰-石墨插層化合物，然后通過四氯化硅引入納米尺度的硅層，實(shí)現(xiàn)了石墨和硅的均相復(fù)合，在石墨電極表面生長出均勻的硅納米層，所得負(fù)極具有高的振實(shí)密度。

17、(3)本發(fā)明制備得到的核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極中存在快離子導(dǎo)體氯化鋰或溴化鋰，這是四氯化硅或四溴化硅與鋰-石墨插層化合物反應(yīng)形成的，這種快離子導(dǎo)體可以緩解納米硅層的體積變化，還可以改善石墨負(fù)極的倍率性能。

技術(shù)特征：

1.一種核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述將石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑與溶劑混合制備電極漿料步驟中，導(dǎo)電劑選自炭黑、導(dǎo)電石墨、碳納米管或納米碳纖維中的一種或多種，粘結(jié)劑選自聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或羧甲基纖維素鈉中的一種或多種，集流體選自不銹鋼、銅、鈦、銀、鍍錫銅、鍍鎳銅和鍍銀銅中的一種或多種，溶劑選自n-甲基吡咯烷酮或水。

3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述將石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑與溶劑混合制備電極漿料步驟中，石墨、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的用量比為(85～95)：(2～8)：(2～8)。

4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述多環(huán)芳烴選自萘、聯(lián)苯、甲基聯(lián)苯、乙基聯(lián)苯、丙基聯(lián)苯或丁基聯(lián)苯中的一種或多種；所述含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液和四氯化硅或四溴化硅溶液的溶劑各自獨(dú)立地選自2-甲基四氫呋喃、四氫吡喃、環(huán)戊基甲醚中的一種或多種。

5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液中的浸泡時(shí)間為4～60min；在所述四氯化硅或四溴化硅溶液中的浸泡時(shí)間為4～60min。

6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液中，多環(huán)芳烴的濃度為0.2～1mol/l，鋰箔和多環(huán)芳烴的摩爾比為(1.5～2.5):1。

7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述四氯化硅或四溴化硅溶液的濃度為0.01～0.1mol/l。

8.如權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極。

9.如權(quán)利要求8所述的核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極在鋰離子電池中的應(yīng)用。

10.一種鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液，其特征在于，所述負(fù)極為權(quán)利要求8所述的核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極及其制備方法和應(yīng)用，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的制備方法，包括如下步驟：將石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑與溶劑混合制備電極漿料，然后涂布在集流體上，干燥后得到石墨電極；將所述石墨電極浸泡在含有鋰箔和多環(huán)芳烴的溶液中，取出后直接浸泡在四氯化硅或四溴化硅溶液中，室溫干燥后即得。本發(fā)明操作簡單，設(shè)備成本低，在室溫下即可進(jìn)行，有利于大規(guī)模制備。制備得到的核殼結(jié)構(gòu)硅@石墨負(fù)極中存在快離子導(dǎo)體氯化鋰或溴化鋰，這是四氯化硅或四溴化硅與鋰?石墨插層化合物反應(yīng)形成的，這種快離子導(dǎo)體可以緩解納米硅層的體積變化，還可以改善石墨負(fù)極的倍率性能。

技術(shù)研發(fā)人員：馮金奎,滿泉言
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)深圳研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9