一种可规模化提高硅碳材料机械强度的负极浆料的制备方法与流程

本技术涉及锂电池材料，尤其涉及一种可规模化提高硅碳材料机械强度的负极浆料的制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池作为目前主流的储能设备之一，在新能源和电动车领域具有重要应用。然而传统的石墨负极在能量密度方面存在一定局限，因此人们开始研究更高容量的硅碳复合材料作为替代材料。硅和碳作为地球上广泛存在的资源，其合成成本相对较低，这有助于降低锂离子电池的制造成本，同时提高了电池的商业可行性。硅碳复合材料相比传统石墨负极具有更高的锂储存容量，这是由于硅具有更多的可嵌入锂离子的活性位点，从而提高了电池的能量密度。然而硅在充放电过程中会发生显著的体积膨胀和收缩，这可能导致电极结构的疲劳、剥离和断裂等问题，影响了电池的循环寿命和稳定性。由于硅碳材料的体积变化可能引发电解质的分解和电池的热失控，存在一定的安全隐患，需要加强对电池的安全设计和监控。在长期循环使用后，硅碳材料的循环性能会出现衰减，导致电池容量减小、电压平台下降等问题，因此需要进一步研究解决。综上所述，锂离子电池硅碳负极材料具有高容量、资源丰富、电化学性能优良等诸多优点，但仍面临着体积膨胀、安全性、循环性能衰减等方面的挑战，需要进一步深入研究和技术改进，以实现其在电池领域的广泛应用。

2、近年来，研究人员在解决锂离子电池中硅碳材料体积膨胀问题方面取得了一些进展。主要的方法之一是利用粘结剂来改善硅碳材料的体积膨胀问题。粘结剂在硅碳材料中起到固定硅颗粒的作用，防止其在充放电过程中发生大幅度的体积膨胀和收缩。通过与硅颗粒或碳材料之间形成较强的化学键或物理吸附，粘结剂可以有效地维持电极结构的稳定性。研究表明，采用合适的粘结剂可以显著提高硅碳材料的循环稳定性。这些粘结剂可以减缓硅颗粒的体积变化速率，降低电极在循环过程中的膨胀程度，从而延长电池的寿命。研究人员通过调整粘结剂的种类、含量和结构等参数，优化粘结剂与硅碳材料的相互作用，实现更好的体积膨胀抑制效果。例如，一些高分子聚合物、纳米级粒子或含硅化合物等都被应用于粘结剂的设计中。

3、聚丙烯酸(paa)作为一种高分子聚合物，可以与硅碳材料形成稳定的结合，有效地固定硅颗粒和碳材料，减缓其在充放电过程中的体积膨胀和收缩。研究表明，采用paa粘结剂可以显著提高硅碳材料的循环稳定性。paa能够有效抑制硅颗粒的团聚和剥离现象，减少电极结构的损伤，延长电池的循环寿命。目前常见的方法是通过调整paa的分子结构、含量和交联程度等参数优化paa与硅碳材料的相互作用，实现更好的体积膨胀抑制效果。例如，控制paa的分子量和交联密度可以影响其与硅碳材料的粘附力和稳定性。通过paa粘结剂改善硅碳材料体积膨胀问题的确有积极影响，但也存在一些潜在的缺点，虽然paa可以有效固定硅颗粒和碳材料，但其本身的机械强度较低导致难以应对硅碳材料在充放电过程中的大幅度体积变化，导致电极结构的松散和脱层现象，在硅碳电极制备过程中添加过量的paa含量会影响电极的电子传输和离子扩散性能，增加电极的厚度和质量，从而降低电池的能量密度和功率密度，因此提高paa的耐磨性和机械强度是提高硅碳材料在锂离子电池中循环寿命的关键技术难题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术提供了一种可可规模化提高硅碳材料机械强度的负极浆料的制备方法，在催化剂的引发下，利用环氧树脂交联剂与paa中的羧基或羟基发生环氧化反应形成交联结构，从而提高paa的机械强度，实现对硅碳材料更好的体积膨胀抑制效果，获得更好的循环寿命和极片稳定性，此外，该方法不改变硅碳材料的配方和匀浆工艺，工艺适应度高，易规模化推广应用。

2、本技术提供一种可规模化提高硅碳材料机械强度的负极浆料的制备方法，采用如下技术方案：

3、一种可规模化提高硅碳材料机械强度的负极浆料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将增稠剂和分散溶剂进行搅拌均匀，抽真空脱泡，制得胶液；

5、s2、将部分导电剂分批次加入胶液进行搅拌均匀，抽真空脱泡，制得导电浆料；

6、s3、将部分导电剂分批次加入负极活性物质中进行搅拌均匀，得到预混料；

7、s4、将导电浆料加入预混料中进行捏合，再加入粘结剂搅拌混合，搅拌公转25-60rpm，自转500-1500rpm，搅拌时间为0.5-1h，抽真空脱泡，得到混合溶液；

8、s5、将交联剂与催化剂加入引发剂中进行搅拌混合，得到改性混合溶液；

9、s6、将改性混合溶液加入混合溶液中进行搅拌混合，得到可规模化提高硅碳材料机械强度的负极浆料。

10、通过采用上述技术方案，在s1步骤中，增稠剂和分散溶剂的搅拌均匀和抽真空脱泡可以使胶液更加稠密和均匀，为后续步骤提供了良好的基础。在s2步骤中，导电剂的分批次加入胶液中，搅拌均匀和抽真空脱泡，制得导电浆料，为后续提高硅碳材料机械强度提供了导电支撑。在s3步骤中，导电剂和负极活性物质的预混料制备，为后续步骤提供了稳定的负极材料基础。在s4步骤中，通过将导电浆料与预混料捏合，再加入粘结剂搅拌混合，形成混合溶液，并抽真空脱泡，可以确保混合溶液的均匀性和稳定性。在s5和s6步骤中，通过引发剂、交联剂和催化剂的搅拌混合和加入改性混合溶液的处理，实现了环氧树脂交联剂与paa中的羧基或羟基发生环氧化反应形成交联结构，从而提高paa的机械强度，实现对硅碳材料更好的体积膨胀抑制效果。通过以上步骤的有机协同作用，实现了可规模化提高硅碳材料机械强度的负极浆料的制备方法，为锂离子电池的电化学性能、电芯内阻和循环性能提供了较大的提高。

11、优选的，所述负极活性物质、导电剂、粘结剂、增稠剂、交联剂、催化剂和引发剂的质量之比为(90-96)：(1-5)：(0.7-2)：(0.7-2):(0.3-1):(0.015-0.05)：(0.75-1.5)；所述负极浆料固含量为35％-55％。

12、优选的，所述负极活性物质、导电剂、粘结剂、增稠剂、交联剂、催化剂和引发剂的质量之比为(93-95)：(2.5-4)：(0.9-1.5)：(0.9-1.5):(0.4-0.7):(0.02-0.03)：(0.9-1.1)；所述负极浆料固含量为40％-50％。

13、优选的，所述负极活性物质为负极活性物质为硅碳材料、硅氧材料、预锂化硅氧材料、预镁化硅碳材料中的任意一种；所述导电剂为乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯和导电炭黑中的至少一种。

14、优选的，所述粘结剂为聚丙烯酸(paa)，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠(cmc)，所述分散溶剂为纯水、乙醇和丙酮中的至少一种，所述催化剂为硫酸铜、硫酸铝中的至少一种，所述引发剂为丙酮。

15、优选的，所述交联剂为环氧树脂。

16、通过采用上述技术方案，环氧树脂在本技术中的作用是通过与paa中的羧基或羟基发生环氧化反应形成交联结构。这样的交联结构能够增强paa的机械强度，提高硅碳材料的整体机械强度，并有效地抑制硅碳材料的体积膨胀，从而改善电池的循环寿命和极片稳定性。交联剂的作用是在制备过程中引发并形成交联结构，这种交联结构可以在电池循环充放电过程中提供更好的支撑和稳定性，减少硅碳材料的膨胀和收缩，从而延长电池的使用寿命并提高性能表现。因此，通过引入环氧树脂作为交联剂，能够显著提升硅碳材料的机械强度和稳定性，同时不改变硅碳材料的原配方和工艺流程，使得该方法更容易规模化推广和应用。

17、优选的，在步骤s1中，所述搅拌为采用双行星搅拌釜进行混料，搅拌公转40-60rpm，自转2000-4000rpm，搅拌时间为1-3h，搅拌釜内物料温度25-35℃；所述抽真空脱泡的工艺条件为：脱泡真空为0.08-0.1mpa，脱泡时间为0.5-1h。

18、优选的，在步骤s2中，所述搅拌为采用双行星搅拌釜进行混料，搅拌公转40-60rpm，自转2000-4000rpm，搅拌时间为1-3h，搅拌釜内导电浆料温度25-35℃；所述抽真空脱泡的工艺条件为：脱泡真空为0.08-0.1mpa，脱泡时间为0.5-1h。

19、优选的，步骤s3中，所述搅拌为采用双行星搅拌釜进行混料，搅拌公转25-60rpm，自转100-1000rpm，搅拌时间为1-2h。

20、优选的，步骤s4中，所述捏合时搅拌为采用双行星搅拌釜进行混料，搅拌公转40-60rpm，自转2000-4000rpm，搅拌时间为1-3h，搅拌釜内物料温度30-50℃；所述抽真空脱泡的工艺条件为：脱泡真空为0.08-0.1mpa，脱泡时间为0.5-1h。

21、优选的，步骤s5中，所述搅拌混合为采用双行星搅拌釜进行混料，搅拌公转25-60rpm，自转500-1500rpm，搅拌时间为0.5-1h，搅拌釜内物料温度30-50℃。

22、优选的，步骤s6中，所述搅拌混合为采用双行星搅拌釜进行混料，搅拌公转25-60rpm，自转500-1500rpm，搅拌时间为0.5-3h，搅拌釜内物料温度30-50℃。

23、通过采用上述技术方案，双行星搅拌釜提供了更加有效的混合方式，可以确保各种成分充分混合均匀，避免局部不均匀导致负极浆料性能差异，从而提高反应的效率和质量。通过设定搅拌公转和自转速度以及搅拌时间，可以确保交联剂、催化剂等各成分充分混合，并且有利于促进化学反应的进行。适当的搅拌速度和时间可以提高交联结构形成的效率。在30-50℃的温度范围内进行搅拌混合，可以促进反应的进行，有利于溶解和扩散，确保交联的充分性和均匀性。通过在步骤s6中采用双行星搅拌釜进行混合，并根据设定的搅拌速度、时间和温度等参数，保证了交联剂与其它成分的混合均匀、反应充分，从而提高了负极浆料的性能，可实现对硅碳材料机械强度的提升。

24、综上所述，本技术的有益技术效果：

25、1.提高机械强度：通过引入环氧树脂交联剂，有效地提高了paa材料的机械强度，加强了硅碳材料的整体结构稳定性，使得负极浆料更加耐用。

26、2.改善体积膨胀抑制效果：交联结构的形成可以有效抑制硅碳材料在充放电过程中的体积膨胀，降低对电池的损害，进而提高循环寿命和极片稳定性。

27、3.不改变配方和工艺：该方法在提高硅碳材料机械强度的同时，并未改变硅碳材料的配方和匀浆工艺，工艺适应度高，易于规模化生产和推广应用。

28、4.提高电池性能：将制备的负极浆料应用于锂离子电池后，可以显著提高电池的电化学性能，降低电芯内阻，并提高电池的循环性能，极大地提升了锂离子电池的使用寿命和性能表现。