一种提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法及锂离子电池与流程

本发明涉及锂离子电池，具体是涉及一种提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法及锂离子电池。

背景技术：

1、目前，商品化的锂离子电池大多采用石墨负极，虽然采用石墨负极的锂离子电池具有库伦效率高、循环性能较好等优点，但是其理论容量很低，限制了整个电池比容量的提高。硅和锂可形成li12si7、li7si3、li13si4和li22si5等多种相态的li-si合金；锂嵌入硅的电压低于0.5v，嵌入过程中不存在溶剂分子的共嵌入，非常适用于作为锂离子电池的负极材料。但是，硅基材料最大的问题是在li嵌入和脱出中存在巨大体积变化，最终导致材料内部结构的破坏，从而引起严重的材料形态变化，进而影响电极材料的循环性能。此外，常规的导电剂sp和cnt尺寸都比较小(＜1μm)，通常附着于单个主材颗粒表面，对颗粒间的导电连接作用较小，导致在si材料负极片中电子难以在颗粒间进行传导，使得电芯的倍率性能不足。

2、中国专利申请cn201010243252.9涉及一种电池负极及其制备方法，该发明解决了现有硅基材料作为电池负极在li嵌入和脱出中的巨大体积变化导致材料内部结构的破坏，影响电极材料循环性能的问题。然而，该专利申请虽然解决了一部分巨大体积变化、循环性能问题，但还是存在极材料颗粒间的接触不够紧密、电芯的倍率性能不足等技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法及锂离子电池，本发明制备的负极片可提升硅基锂离子电池负极片内部的长程导电能力，改善因硅基材料膨胀导致的倍率性能不足的问题。

2、为达到本发明的目的，本发明提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法包括以下步骤：

3、(1)粘接剂制备：粘接剂和溶剂在室温以重量比1：2-98混合均匀，得到混合物a；

4、(2)负极材料的制备：将活性si、导电炭黑、单壁碳纳米管、改性碳纤维加入到混合物a中，制得负极浆料，将负极浆料涂敷于铜箔表面，烘干、辊压后得到负极片。

5、进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述铜箔厚度为5-50μm。

6、进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述活性si、导电炭黑、单壁碳纳米管、改性碳纤维、粘结剂的质量比为86-96：0.8-2.2：0.8-2.2：0.8-8.5：1.5-11.5。

7、进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述改性碳纤维的制备方法包含以下步骤：

8、(a)石墨烯和高锰酸钾溶液混合配置：石墨烯和高锰酸钾按重量份0.8-1.2：96-99混合，所得混合物用去离子水稀释至混合物的质量占比为0.9-1.1％，得混合液备用；

9、(b)碳纤维加入：在步骤(a)中所得混合液中加入碳纤维，搅拌均匀，置于管式炉炉膛内，关上两端封盖并抽真空；

10、由于石墨烯与高锰酸钾反应，石墨氧化程度加强，结构变稀松，吸附效率提高，另一方面，高锰酸钾作为吸附质，其分子直径1.13nm，小于活性碳纤维孔径大小，卷成蓬松状的柱形；

11、(c)高温改性：将管式炉升温到175-185℃，然后85-95分钟内继续升温至目标温度555-565℃，升温的同时，缓慢加入保护气体，控制压力在0.03-0.035mpa之间，在555-565℃时维持时间9-11分钟，然后进行缓慢降温，28-32分钟内降到178-182℃时，不再加入保护气体，取出样品。

12、由于上述改性，产生活性锰离子、钾离子，活性碳纤维的表面官能团增加羟基，提高了活性碳纤维的化学吸附性，石墨烯的加入使得电化学性能得到提高。

13、进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述步骤(1)中粘接剂选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、改性聚丙烯酸、聚偏氟乙烯和聚氧化乙烯中的一种或多种。

14、进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述步骤(1)中溶剂为去离子水。

15、进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述步骤(2)中活性si选自氧化亚硅、多孔碳沉积硅、硅纳米线和硅纳米管中的一种或多种。

16、进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述碳纤维为vgcf(气相生长炭纤维)或中空碳纤维。

17、另一方面，本发明还提供了一种硅基锂离子负极片，所述硅基锂离子负极片是采用前述提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法制备得到的。

18、再一方面，本发明还提供了一种提高电芯倍率性能的锂离子电池，所述锂离子电池包含本发明前述硅基锂离子负极片。

19、与现有技术相比，本发明的优点如下：

20、(1)本发明改性碳纤维的制备中石墨烯与高锰酸钾反应，使得石墨氧化程度加强，结构变稀松，吸附效率提高，且高锰酸钾作为吸附质，其分子直径1.13nm，小于活性碳纤维孔径大小，卷成蓬松状的柱形，产生活性锰离子、钾离子，活性碳纤维的表面官能团增加羟基，提高了活性碳纤维的化学吸附性，又因石墨烯的加入，电化学性能得到提高。

21、(2)本发明的硅基锂离子负极片通过引入vgcf、碳纤维、中空碳纤维等具备高电子导电性的长程导电材料，参与制备硅基锂离子电池负极，提升了硅基锂离子电池负极片内部的长程导电能力，改善了因硅基材料膨胀导致的倍率性能不足的问题。

技术特征：

1.一种提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述改性碳纤维的制备方法包含以下步骤：

3.根据权利要求1所述的提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述铜箔厚度为5～50μm。

4.根据权利要求1所述的提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述活性si、导电炭黑、单壁碳纳米管、改性碳纤维、粘结剂的质量比为86-96：0.8-2.2：0.8-2.2：0.8-8.5：1.5-11.5。

5.根据权利要求1所述的提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中溶剂为去离子水。

6.根据权利要求1所述的提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中粘接剂选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、改性聚丙烯酸、聚偏氟乙烯和聚氧化乙烯中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中活性si选自氧化亚硅、多孔碳沉积硅、硅纳米线和硅纳米管中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法，其特征在于，所述碳纤维为vgcf或中空碳纤维。

9.一种硅基锂离子负极片，其特征在于，所述硅基锂离子负极片是采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的。

10.一种提高电芯倍率性能的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包含权利要求8所述的硅基锂离子负极片。

技术总结
本发明属于锂离子电池技术领域，公开了一种提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法及锂离子电池。本发明所述提高电芯倍率性能的硅基锂离子负极片的制备方法包括以下步骤：(1)粘接剂制备：粘接剂和溶剂在室温以重量比1：2‑98混合均匀，得到混合物A；(2)负极材料的制备：将活性Si、导电炭黑、单壁碳纳米管、改性碳纤维加入到混合物A中，制得负极浆料，将负极浆料涂敷于铜箔表面，烘干、辊压后得到负极片。本发明的硅基锂离子负极片通过引入VGCF、碳纤维、中空碳纤维等具备高电子导电性的长程导电材料，参与制备硅基锂离子电池负极，提升了硅基锂离子电池负极片内部的长程导电能力，改善了因硅基材料膨胀导致的倍率性能不足的问题。

技术研发人员：刘宏威,陈科信,王国光,刘贵艳
受保护的技术使用者：横店集团东磁股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/7/9