硅基负极片及其制备方法、锂离子电池与流程

本发明涉及锂离子电池，具体而言，涉及一种硅基负极片及其制备方法、锂离子电池。

背景技术：

1、电池能量密度的提升主要依靠关键电极材料的发展，如正负极材料容量的不断提升。现有的锂电负极材料的容量已经接近极限，以石墨类负极(占比高达锂电负极材料的98％)为例，石墨类负极的比容量均为350mah/g以上，已经接近理论比容量上限值372mah/g。因此，为了满足新一代的能源需求，亟待开发新型的锂电负极以提高电池的能量密度。

2、目前，硅基负极的优势明显，其理论比容量最高达4200mah/g，是石墨材料的10倍以上，并且硅基负极从各个方向提供了锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异，是未来负极的发展方向。但硅基负极在嵌锂过程中体积膨胀严重、材料导电性差、首效和循环性能等问题制约了其商业化应用。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种硅基负极片及其制备方法、锂离子电池，以解决现有技术中的硅基负极的体积膨胀严重的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种硅基负极片，该硅基负极片包括多孔集流体和含硅材料，含硅材料附着于多孔集流体的孔隙内，多孔集流体为多孔碳材料。

3、进一步地，上述多孔集流体的孔隙率为50～90％，优选多孔集流体的孔径50～100μm，进一步地，优选多孔集流体选自碳纤维、碳布、碳纳米管、泡沫碳中的任意一种或多种。

4、进一步地，上述硅基负极片还包括功能型助剂，功能型助剂用于粘结多孔集流体和含硅材料，优选多孔集流体和含硅材料的质量比为5～15：100，优选功能型助剂的质量为含硅材料的0.2～5％，优选含硅材料选自硅氧、碳化硅、微米硅、纳米硅、预嵌锂改性后的硅氧、石墨和硅氧掺混的混合物中的任意一种或多种，进一步地，优选含硅材料为石墨和硅氧掺混的混合物，优选混合物中硅氧和石墨的质量比为1：1～4，优选功能型助剂为多巴胺单体。

5、进一步地，上述硅基负极片的厚度为6～200μm，优选硅基负极片还包括粘结剂和导电剂，优选粘结剂选自丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇中的任意一种或多种，优选导电剂选自炭黑、单壁碳管、多壁碳管、石墨烯中的任意一种或多种。

6、根据本发明的另一方面，提供了一种上述硅基负极片的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，将包括含硅材料的负极浆料涂布在多孔集流体的表面，得到活性集流体；步骤s2，将活性集流体进行干燥、辊压、冲片，得到硅基负极片。

7、进一步地，上述步骤s1包括对多孔集流体进行表面改性处理，优选表面改性处理的过程包括：步骤s11，通过氧化剂溶液对多孔集流体进行氧化处理，得到氧化集流体；步骤s12，对氧化集流体进行洗涤，得到洗涤后集流体；步骤s13，将洗涤后集流体浸渍于功能型助剂溶液中，得到改性后的多孔集流体；氧化剂溶液为浓度为50～90wt％的硝酸溶液，优选氧化处理的时间为20～60min，优选洗涤后集流体中的no3-残留量<50ppm；优选功能型助剂溶液为多巴胺单体溶液，优选多巴胺单体溶液的浓度为2～3g/l，优选多巴胺单体溶液中的溶剂为tris-hcl缓冲溶液；优选浸渍的时间为10～24h。

8、进一步地，上述步骤s1中，对多孔集流体的相对表面同时进行涂布，优选涂布的走速为10～50m/min，优选负极浆料的固含量为35～50wt％，优选负极浆料的粘度为3000～7000mpa.s-1。

9、进一步地，上述步骤s2中，干燥的温度为60～150℃。

10、根据本发明的又一方面，提供了一种锂离子电池，包括正极片、电解质和负极片，该负极片为前述的硅基负极片。

11、进一步地，采用金属压接卡套连接硅基负极片的多孔集流体与锂离子电池的金属导线。

12、应用本发明的技术方案，一方面利用多孔碳材料本身的网络结构极大地降低了硅基负极片的电阻率，从而增强了硅基负极片的韧性，进而有效防止了硅基负极片的膨胀。另一方面多孔碳材料本身的网络结构覆盖硅碳材料的颗粒表面并在硅颗粒之间建立高度导电、牢固且持久的连接。即使发生硅颗粒的体积膨胀并开始出现裂缝，仍可通过多孔碳材料使得硅颗粒之间保持良好连接，从而可以防止硅碳材料的破裂，进而使锂离子电池具有较高容量的同时，兼具优良的循环稳定性、首效等电学性能。此外，与金属集流体相比，多孔碳材料具有密度低、成本低、耐腐蚀等优势。因而将多孔碳材料作为负极集流体可降低硅基负极片中的导电剂含量，并提高硅碳材料在整个硅基负极片中的配比，进一步地提升电芯的能量密度。

技术特征：

1.一种硅基负极片，其特征在于，所述硅基负极片包括多孔集流体和含硅材料，所述含硅材料附着于所述多孔集流体的孔隙内，所述多孔集流体为多孔碳材料。

2.根据权利要求1所述的硅基负极片，其特征在于，所述多孔集流体的孔隙率为50～90％，优选所述多孔集流体的孔径50～100μm，进一步地，优选所述多孔集流体选自碳纤维、碳布、碳纳米管、泡沫碳中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的硅基负极片，其特征在于，所述硅基负极片还包括功能型助剂，所述功能型助剂用于粘结所述多孔集流体和所述含硅材料，优选所述多孔集流体和含硅材料的质量比为5～15：100，优选所述功能型助剂的质量为所述含硅材料的0.2～5％，优选所述含硅材料选自硅氧、碳化硅、微米硅、纳米硅、预嵌锂改性后的硅氧、石墨和硅氧掺混的混合物中的任意一种或多种，进一步地，优选所述含硅材料为石墨和硅氧掺混的混合物，优选所述混合物中所述硅氧和所述石墨的质量比为1：1～4，优选所述功能型助剂为多巴胺单体。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅基负极片，其特征在于，所述硅基负极片的厚度为6～200μm，优选所述硅基负极片还包括粘结剂和导电剂，优选所述粘结剂选自丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇中的任意一种或多种，优选所述导电剂选自炭黑、单壁碳管、多壁碳管、石墨烯中的任意一种或多种。

5.一种权利要求1至4中任一项所述硅基负极片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1包括对多孔集流体进行表面改性处理，优选所述表面改性处理的过程包括：

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，

8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，

9.一种锂离子电池，包括正极片、电解质和负极片，其特征在于，所述负极片为权利要求1～4中任一项所述的硅基负极片。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，采用金属压接卡套连接所述硅基负极片的多孔集流体与所述锂离子电池的金属导线。

技术总结
本发明提供了一种硅基负极片及其制备方法、锂离子电池。该硅基负极片包括多孔集流体和含硅材料，含硅材料附着于多孔集流体的孔隙内，多孔集流体为多孔碳材料。一方面利用多孔碳材料本身的网络结构极大地降低了硅基负极片的电阻率，从而增强了硅基负极片的韧性，进而有效防止了硅基负极片的膨胀。另一方面多孔碳材料本身的网络结构覆盖硅碳材料的颗粒表面并在硅颗粒之间建立高度导电、牢固且持久的连接。此外，与金属集流体相比，多孔碳材料具有密度低、成本低、耐腐蚀等优势。因而将多孔碳材料作为负极集流体可降低硅基负极片中的导电剂含量，并提高硅碳材料在整个硅基负极片中的配比，进一步地提升电芯的能量密度。

技术研发人员：张浩,王倩,史永刚,甘志健,李洋,朱冠楠
受保护的技术使用者：上海轩邑新能源发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11