用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極及其制備方法。該活性物質儲藏式新型電極由頂蓋、底板和活性物質構成；所述頂蓋具有多孔微米結構；所述底板中央設有活性物質儲藏腔；所述活性物質儲藏于活性物質儲藏腔內。該制備方法包括如下步驟：（1）新型電極底板的成形：（2）儲藏腔活性物質的填充；（3）新型電極的整體成型。本發明專利技術的用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極極大地增加了電極的導電性，同時提高鋰離子電池的壽命及其循環穩定性，有效地保證鋰離子電池的正常充放電。

Active material storage type new electrode for lithium ion battery and preparation method thereof

The invention discloses an active substance storage type new electrode used for a lithium ion battery and a preparation method thereof. The active material storage type electrode is composed of a top cover, bottom plate and active substance; the top cover has a porous micro structure; the bottom plate is arranged at the center of active material storage cavity; the active substance stored in the active material storage chamber. The preparation method comprises the following steps: (1) forming a new electrode base plate; (2) filling the active material in the storage chamber; and (3) forming the whole shape of the new electrode. The invention of the active material for storage type lithium ion battery electrode greatly increases the conductivity of the electrode, and improve the life of lithium ion batteries and cycle stability, effectively ensure the normal discharge of lithium ion battery.

【技術實現步驟摘要】
用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極及其制備方法
本專利技術涉及鋰離子電池
，具體是一種用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極及其制備方法。
技術介紹
鋰離子電池屬于綠色高能可充電化學電源，具有電壓高、能量密度大、循環性能好、自放電小、無記憶效應等突出優點，在運載工具、便攜式電子設備、通信用后備電源、空間技術、國防工業等領域得到了廣泛應用。目前，在商業化的鋰離子電池體系中，一般采用石墨類碳材料作為負極活性物質，但是石墨的理論容量僅有372mAh/g，且倍率性能不佳，因此開發新型的高容量負極材料成為研究熱點。然而，具有高容量的負極材料基本都有著一個共同點：倍率性差，具體表現為負極材料在鋰化過程中體積發生急劇膨脹，最終導致粉化現象。由于硅的理論比容量高達4200mAh/g，比石墨類負極材料的比容量高一個數量級，并且其嵌/脫鋰電位適中、與電解液反應活性低、在地殼中儲量豐富、價格低廉等優點，使得硅材料成為新一代鋰離子電池負極材料的理想選擇。然而，硅在與鋰的合金化反應過程中，硅材料會產生劇烈的體積膨脹（>400%），容易導致活性材料在循環過程中發生粉化失效現象，使得電極活性材料與集流體的接觸減弱，導致電池循環壽命急速衰減。同時，由于硅材料的體積膨脹效應，使得硅材料在電解液中無法形成牢固的表面固體電解質膜。電極結構被破壞，新暴露出的硅表面會不斷形成新的電子絕緣（SEI）膜，最終導致充放電效率降低、容量衰減嚴重等后果。
技術實現思路
為了有效緩沖活性物質的體積膨脹，縮短鋰離子擴散距離，提高活性物質和集流體的結合力和導電性，從而增強鋰離子電池的初始效率、循環穩定性和倍率性能，本專利技術提供了一種用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極。本專利技術還提供了所述一種用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極的制備方法。一種用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極，由頂蓋、底板和活性物質構成；所述頂蓋為銅顆粒構成，銅顆粒之間具有多孔微米結構；所述底板中央設置有活性物質儲藏腔，所述的活性物質儲藏于活性物質儲藏腔中。所述的一種用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極的制備方法，包括底板的成型、活性物質的填充和電極的整體成型。進一步地，所述底板的成型，包括如下步驟：（1）圓形遮光片的設計：用圓形沖頭沖出圓形遮光片；（2）銅片的表面預處理：用粗砂紙對銅片進行粗打磨，再用細砂紙進行精打磨，使銅片表面平整；再將打磨后的銅片置于清洗劑中浸泡并用超聲波攪拌，使銅片表面光滑，去離子水清洗干凈；（3）抗腐蝕感光藍膜的覆蓋和曝光：將抗腐蝕感光藍膜貼在清洗后的銅片的兩個光滑平整表面，接著用紫外線曝光機對銅片的任意一面進行完整曝光，然后將圓形遮光片置于銅片未曝光的一面進行遮光曝光；（4）結構的顯影、蝕刻及脫膜：使用顯影溶液對銅片曝光的結構進行顯影，并將顯影后的銅片置于環保蝕刻劑溶液中蝕刻；蝕刻完畢后，將銅片置于脫膜溶液中脫膜，并用去離子水清洗，干燥，得到所述底板。更進一步地，步驟（1）中，所述圓形遮光片的直徑大小根據活性物質儲藏腔的直徑大小設計。更進一步地，步驟（2）中，所述浸泡的時間為3~5min。更進一步地，步驟（3）中，所述曝光的時間均為5~7s。更進一步地，步驟（4）中，所述蝕刻的時間為120~150min。進一步地，所述活性物質的填充，包括如下步驟：（1）漿料的制備：將活性物質加入去離子水中，用行星球磨機攪拌混合均勻，得到活性物質漿料；（2）漿料的涂布：將活性物漿料均勻地涂于底板的活性物質儲藏腔中，并把底板邊緣的漿料擦拭干凈，烘干，填充完畢。更進一步地，步驟（1）中，所述活性物質與去離子水的料液比為7~8:9~11g/mL。更進一步地，步驟（1）中，所述行星球磨機攪拌的時間為3~4h。更進一步地，步驟（2）中，所述活性物漿料的涂布厚度為0.3~0.5mm。更進一步地，步驟（2）中，所述烘干是在60~70℃下烘2~3h。進一步地，所述電極的整體成型，包括如下步驟：（1）頂蓋的覆蓋：將銅粉完全均勻平鋪于活性物質的頂部，并使底板邊緣與銅粉充分接觸，最后用模具壓實并鎖緊；（2）整體燒結成形：將鎖緊的模具置入真空電阻爐中保溫，得到所述用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極。更進一步地，步驟（1）中，所述銅粉的粒徑為30~40um。更進一步地，步驟（2）中，所述保溫是在800~900℃下保溫1~2h。與現有技術相比，本專利技術的具有如下優點：（1）本專利技術的用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極中，活性物質包裹在集流體中間，有利于活性物質與集流體的充分接觸，可有效地減小集流體與活性物質之間的接觸電阻，極大地提高電極的導電性；（2）本專利技術的用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極中，集流體有效地限制了活性物質在鋰化過程中急劇的體積膨脹，可有效防止活性物質在電池循環充放電過程中從集流體的表面脫落分離以至鋰離子電池失效，從而提高電池的循環壽命和容量的穩定性；（3）本專利技術的用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極中，表面的微米級孔洞有利于電解液和鋰離子的運輸，可有效地保證鋰離子電池的正常充放電。附圖說明圖1為實施例1中制備的用于鋰離子電池的硅粉儲藏式新型電極的整體結構示意圖；圖2為實施例2中硅粉儲藏式新型電極用于鋰離子半電池的裝配示意圖。具體實施方式為進一步理解本專利技術，下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步說明，但是需要說明的是，本專利技術要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍，權利要求范圍內參數的其他未列舉實施例同樣有效，以下若有未特別詳細說明之參數或物質均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。實施例1一種用于鋰離子電池的硅粉儲藏式新型電極的制備，包括如下步驟：新型電極底板的成形（1）圓形遮光片的設計：用直徑為8mm的圓形沖頭沖出圓形遮光片；（2）銅片的表面預處理：先用600目砂紙對直徑為15mm銅片進行粗打磨，再用1200目的細砂紙打磨，使銅片表面平整；隨后將銅片置于覆銅板表面清洗劑中浸泡并不斷攪拌5min，使銅片表面光滑，最后用去離子水將銅片清洗干凈；（3）抗腐蝕感光藍膜的覆蓋和曝光：將抗腐蝕感光藍膜貼在銅片的兩個光滑平整表面，接著用紫外線曝光機對銅片的任意一面進行完整曝光，然后將圓形遮光片置于銅片未曝光的一面進行遮光曝光，曝光時間均為5s；（4）結構的顯影、蝕刻及脫膜：使用顯影溶液對曝光的結構進行顯影，并將顯影后的銅片置于蝕刻劑溶液中蝕刻120min；蝕刻完畢后將銅片置于脫膜溶液中脫膜，并用去離子水對所得銅片進行清洗和干燥。儲藏腔活性物質的填充（5）漿料的制備：將8g的硅粉加入到10ml的去離子水中，用行星球磨機攪拌1h至漿料混合均勻；（6）漿料的涂布：將漿料均勻地涂在底板的儲藏腔中，厚度為0.5mm，并把底板邊緣的漿料擦拭干凈；（7）烘干：將涂好漿料的底板置于紅外烘干機中，在60℃的溫度下烘干2h。新型電極的整體成型（8）頂蓋的覆蓋：將4g直徑為40um的銅粉完全平鋪于硅粉頂部，并使底板邊緣與頂蓋銅粉充分接觸，最后用模具壓實并鎖緊；（9）整體燒結成形：將鎖緊的模具置于真空電阻爐中，在900℃下保溫1.5h。制備的用于鋰離子電池的硅粉儲藏式新型電極的整體結構示意圖如圖1所示，包括頂蓋9、底板10和硅粉11；頂蓋9為銅顆粒構成，銅顆粒之間具有多孔微米結構；底板10本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極，其特征在于，由頂蓋、底板和活性物質構成；所述頂蓋為銅顆粒構成，銅顆粒之間具有多孔微米結構；所述底板中央設置有活性物質儲藏腔，所述的活性物質儲藏于活性物質儲藏腔中；所述活性物質包括硅粉。

【技術特征摘要】
1.用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極，其特征在于，由頂蓋、底板和活性物質構成；所述頂蓋為銅顆粒構成，銅顆粒之間具有多孔微米結構；所述底板中央設置有活性物質儲藏腔，所述的活性物質儲藏于活性物質儲藏腔中；所述活性物質包括硅粉。2.制備權利要求1所述的用于鋰離子電池的活性物質儲藏式新型電極的方法，其特征在于，包括底板的成型、活性物質的填充和電極的整體成型。3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述底板的成型，包括如下步驟：（1）圓形遮光片的設計：用圓形沖頭沖出圓形遮光片；（2）銅片的表面預處理：用粗砂紙對銅片進行粗打磨，再用細砂紙進行精打磨，使銅片表面平整；再將打磨后的銅片置于清洗劑中浸泡并超聲波攪拌，使銅片表面光滑，去離子水清洗干凈；（3）抗腐蝕感光藍膜的覆蓋和曝光：將抗腐蝕感光藍膜貼在清洗后的銅片的兩個光滑平整表面，接著用紫外線曝光機對銅片的任意一面進行完整曝光，然后將圓形遮光片置于銅片未曝光的一面進行遮光曝光；（4）結構的顯影、蝕刻及脫膜：使用顯影溶液對銅片曝光的結構進行顯影，并將顯影后的銅片置于環保蝕刻劑溶液中蝕刻；蝕刻完畢后，將銅片置于脫膜溶液中脫膜，并用去離子水清洗，干燥，得到所述底板。4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，所述圓形遮光片的直徑大小根據活性物質儲藏腔的直徑大小設計。5....

【專利技術屬性】
技術研發人員：袁偉，潘保有，邱志強，羅健，黃詩敏，閆志國，譚振豪，湯勇，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44