在锂离子电池阳极中使用的Si-复合材料及其制备方法与流程

公开文本涉及用于改进导电性、比容量和循环寿命稳定性的硅(si)基阳极，以及用于生产适合于在电化学储能设备中使用的高容量si基阳极的方法。更具体地，公开文本涉及在锂离子电池阳极中使用si-复合材料(诸如硅-碳复合材料、硅氧化物等)作为活性材料颗粒。

背景技术：

1、锂离子(li-ion)电池广泛用于消费电子器件、电动车辆(ev)、储能系统(ess)和智能电网。锂离子电池的能量密度至少部分地取决于所使用的阳极和阴极材料。通过优化锂离子电池的加工和制造，锂离子电池的能量密度每年可以提高4％至5％，但是这些渐进提高不足以达到下一代技术的能量密度目标。为了达到此类目标，将需要在电极材料方面取得进步，诸如将高能量密度的活性材料结合到电极中。最近的研究主要集中在开发高能阴极，仅有限的研究致力于阳极材料的开发。

2、最近，硅已经成为锂离子电池最具吸引力的高能阳极材料之一。硅的工作电压低，并且理论比容量高达3579mah/g，几乎是常规石墨的十倍，因此越来越受到关注。美国专利号10,573,884和10,707,481描述了包括硅活性材料颗粒和聚合物粘合剂(诸如聚丙烯腈(pan))的阳极组合物。'884和'481专利中描述的硅活性材料颗粒是尺寸在纳米至微米范围内的纯硅颗粒。此外，还需要一种离子液体基电解质。

3、包括纯硅作为活性材料的阳极材料所面临的一个问题是纯硅的材料能级不稳定性。例如，当纯硅用作阳极的活性材料时，纯硅和与其一起使用的电解质直接接触并暴露于其中。这可以导致阳极和电池不稳定。因此，需要改进的用于锂离子电池的si基阳极材料。

技术实现思路

1、根据公开文本的一个方面，提供了一种阳极制剂，其用于形成在电化学储能设备中使用的阳极，阳极制剂包括：多个活性si-复合材料颗粒；多个导电碳颗粒；和至少一种聚合物粘合剂，其在加热时经历环化反应。

2、根据公开文本的另一方面，提供了一种在电化学储能设备中使用的阳极，阳极包括集流体，集流体具有包括活性si-复合材料、导电碳和至少一种环化聚合物粘合剂的涂层。

3、根据公开文本的另一方面，提供了一种电化学储能设备，包括：阳极，其包括集流体，集流体具有包括活性si-复合材料、导电碳和至少一种环化聚合物粘合剂的涂层；阴极；和电解质，其包括氟化碳酸酯。

4、根据公开文本的另一方面，提供了一种制备在电化学储能设备中使用的阳极的方法，方法包括：

5、a)将活性si-复合颗粒、导电碳颗粒和在加热时经历环化反应的至少一种聚合物粘合剂混合在一起以形成混合物；

6、b)将混合物涂覆到集流体上以形成经涂覆的集流体；以及

7、c)使经涂覆的集流体经受温度处理，从而使至少一种聚合物粘合剂环化。

8、在考虑具体实施方式和所附权利要求之后，本文所述技术的这些及其他方面将是显而易见的。

技术特征：

1.一种阳极制剂，其用于形成在电化学储能设备中使用的阳极，所述阳极制剂包括：

2.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述si-复合材料是si-碳复合材料。

3.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述si-复合材料是硅氧化物材料。

4.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述多个si-复合材料颗粒包括约1nm至约100μm范围内的颗粒。

5.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述至少一种聚合物粘合剂包括聚丙烯腈。

6.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述多个si-复合颗粒包括所述阳极制剂的约10重量％至约90重量％。

7.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述多个导电碳颗粒包括所述阳极制剂的约0.1重量％至约5重量％。

8.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述至少一种聚合物粘合剂包括所述阳极制剂的约10重量％至约40重量％。

9.根据权利要求1所述的阳极制剂，其中所述导电碳颗粒包括气相生长碳纤维(vgcf)、炭黑、碳纳米管或其混合物的纳米颗粒。

10.根据权利要求1所述的阳极制剂，还包括酸粘合剂，所述酸粘合剂包括所述阳极制剂的约0.01重量％至约2重量％。

11.根据权利要求10所述的阳极制剂，其中所述酸粘合剂包括草酸、柠檬酸、马来酸、酒石酸、1,2,3,4-丁烷四羧酸或其混合物。

12.一种在电化学储能设备中使用的阳极，所述阳极包括：

13.根据权利要求12所述的阳极，其中所述至少一种环化聚合物粘合剂是环化聚丙烯腈。

14.根据权利要求12所述的阳极，其中所述si-复合材料是si-碳复合材料。

15.根据权利要求12所述的阳极，其中所述si-复合材料是硅氧化物材料。

16.根据权利要求12所述的阳极，其中所述导电碳包括气相生长碳纤维(vgcf)、炭黑、碳纳米管或其混合物。

17.根据权利要求12所述的阳极，还包括酸粘合剂。

18.一种电化学储能设备，包括：

19.根据权利要求18所述的电化学储能设备，其中所述si-复合材料是si-碳复合材料。

20.根据权利要求18所述的电化学储能设备，其中所述si-复合材料是硅氧化物材料。

21.根据权利要求18所述的电化学储能设备，其中所述至少一种环化聚合物粘合剂包括环化聚丙烯腈。

22.根据权利要求18所述的电化学储能设备，其中所述阴极还包括锂金属氧化物、尖晶石、橄榄石、碳涂覆橄榄石、钒氧化物、过氧化锂、硫、多硫化物、锂一氟化碳或其混合物。

23.根据权利要求18所述的电化学储能设备，其中所述阴极还包括过渡金属氧化物材料和过锂化氧化物材料。

24.根据权利要求18所述的电化学储能设备，还包括将所述阳极和所述阴极彼此分开的多孔分隔物。

25.一种制备在电化学储能设备中使用的阳极的方法，所述方法包括：

26.根据权利要求25所述的方法，其中使所述经涂覆的集流体经受温度处理包括在惰性气氛中将所述经涂覆的集流体加热至约200℃至约600℃范围内的温度。

27.根据权利要求26所述的方法，其中将所述经涂覆的集流体加热至约240℃至约400℃范围内的温度。

28.根据权利要求25所述的方法，还包括：

29.根据权利要求28所述的方法，还包括：

30.根据权利要求28所述的方法，其中步骤c)从涂覆在所述集流体上的所述混合物移除所述溶剂。

31.根据权利要求25所述的方法，其中所述si-复合颗粒的尺寸在约1nm至约100μm的范围内。

32.根据权利要求25所述的方法，其中在步骤a)中形成的所述混合物包括约10重量％至约90重量％的si-复合颗粒。

33.根据权利要求25所述的方法，其中在步骤a)中形成的所述混合物包括约10重量％至约40重量％的所述至少一种聚合物粘合剂。

34.根据权利要求25所述的方法，其中在步骤a)中形成的所述混合物包括约0.1重量至约5重量％的所述导电碳颗粒。

35.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一种聚合物粘合剂是聚丙烯腈。

技术总结本申请涉及一种阳极制剂，其包含多个活性Si‑复合材料颗粒、多个导电碳颗粒和在加热时经历环化反应的至少一种聚合物粘合剂；一种由阳极制剂形成的阳极；一种制造阳极的方法；和一种电化学储能设备，其包括阳极、阴极和包括氟化碳酸酯的电解质。技术研发人员：苏里亚·S·莫甘蒂,鲁特维克·瓦伊迪亚,朱晓京,K·R·小布朗受保护的技术使用者：诺姆斯科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/20