本發(fā)明屬于電化學(xué)和新能源領(lǐng)域，涉及一種制備免支撐離子電池電極材料的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的鋰離子電池電極由四部分組成：金屬集流體、電化學(xué)活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。其中，集流體、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等非電極活性成分占整個(gè)電極重量的40％以上，而對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能性能貢獻(xiàn)甚微，使活性物質(zhì)在電極中的比例降低，削弱了電極的比容量；不導(dǎo)電的粘結(jié)劑導(dǎo)致電極中形成大量“死體積”、阻斷電子的傳輸和電解液向電極材料表面擴(kuò)散，不但浪費(fèi)體積而且降低活性物質(zhì)的利用效率。因此，為了提高電池的能量密度，研究者們嘗試制備免支撐離子電池電極。一方面，免支撐電池電極減少粘結(jié)劑與電解液發(fā)生反應(yīng)，可以提高庫(kù)倫效率；另一方面，此方法得到的電極碳化后導(dǎo)電性增加以及活性物質(zhì)的含量易于控制，有利于促進(jìn)離子和電子的運(yùn)輸，改善電池的儲(chǔ)鋰容量和倍率性能。目前已有報(bào)道用靜電紡和CVD沉積的方法制備免支撐電極。其中，靜電紡絲制備免支撐電極的方法需要在高壓靜電裝置下進(jìn)行紡絲，能耗較高；而CVD方法制備電極的成本比較高，實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)步驟繁雜，并且電極尺寸有限，不適合大批量生產(chǎn)。
針對(duì)上述方法的不足，我們提出采用相轉(zhuǎn)化法來(lái)制備免支撐離子電池電極材料，即鑄膜液與活性物質(zhì)共混刮膜，相轉(zhuǎn)化去除溶劑后，鑄膜液從一個(gè)連續(xù)相的高分子溶液轉(zhuǎn)變成高分子連續(xù)相的一個(gè)三維大分子網(wǎng)絡(luò)式凝膠，并在此過(guò)程中形成納米多孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)干燥碳化、壓片、裁片后制成電極。此方法制備的免支撐電極的優(yōu)勢(shì)在于減少了非活性物質(zhì)的比例，有利于提高電池電極的比容量；電極材料為納米多孔結(jié)構(gòu)，有利于電解液的浸潤(rùn)，減少電極的內(nèi)阻，提高電解液的熱傳遞；聚合物對(duì)活性物質(zhì)有包覆作用，可以緩沖和限制的活性物質(zhì)體積膨脹。該方法工藝簡(jiǎn)單，可以制備材料的尺寸可控，適合大批量生產(chǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明為一種制備免支撐離子電池電極材料的方法。該方法采用相轉(zhuǎn)化制備含活性物質(zhì)的納米多孔聚合物膜，將膜干燥碳化后即可作為免支撐離子電池電極，具體步驟如下：
1、按一定質(zhì)量比將活性物質(zhì)與溶劑混合均勻分散，然后將聚合物、添加劑按一定比例加到上述混合液中，在適當(dāng)?shù)臏囟认聰嚢杈鶆?，靜置或真空脫泡后得到含活性物質(zhì)的鑄膜液。
上述的活性物質(zhì)包括錫基材料(錫的氧化物、錫的硫化物等)、硅基材料、過(guò)渡金屬氧化物、金屬硫化物等，可為其中的一種或多種，上述活性物質(zhì)在鑄膜液中的含量為1％～10％；上述的溶劑為二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一種或多種；上述的聚合物為聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚乙烯醇中的一種或多種，在鑄膜液中的含量為10％～20％；上述的添加劑包括聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇，在鑄膜液中添加劑的用量為0.5％～2％。上述的適當(dāng)溫度范圍為40～80℃。
2、將上述步驟中得到的鑄膜液用于刮膜，然后在水中浸泡進(jìn)行相轉(zhuǎn)化，取出后用去離子水洗滌，充分洗去膜孔內(nèi)溶劑。
3、將上述制得的膜干燥、碳化、壓片、裁片制備成電池電極。
上述的碳化溫度范圍為400℃～1000℃，碳化時(shí)間為2～6h，升溫速率1～10℃/min。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種制備免支撐離子電池電極材料的方法進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)施例1：
1、將2.5g的SnO2分散于42.5gN，N-二甲基乙酰胺中超聲、攪拌直到分散均勻，然后再加入4.5g聚丙烯腈和0.5g聚乙烯吡咯烷酮，50℃的水浴中熱攪拌24h，攪拌均勻后靜置脫泡。
2、將上述步驟中得到的鑄膜液在潔凈玻璃板上刮膜，然后將膜放在水中進(jìn)行相轉(zhuǎn)化，接著用去離子水進(jìn)行洗滌，充分洗去膜孔內(nèi)溶劑。
3、將上述制得的膜冷凍干燥，800℃條件下碳化4h，升溫速率為5℃/min、壓片、裁片制備成電池電極。
實(shí)施例2：
1、將4.5g的Si納米顆粒分散于40g的二甲基甲酰胺中超聲、攪拌直到分散均勻，然后加入4.5g聚酰亞胺和1g的聚乙二醇，40℃的水浴中攪拌26h直至均勻，在真空的環(huán)境中進(jìn)行脫泡。
2、將上述步驟中得到的鑄膜液在潔凈玻璃板上刮膜，然后將膜放在水中進(jìn)行相轉(zhuǎn)化，接著用去離子水進(jìn)行洗滌，充分洗去膜孔內(nèi)溶劑。
3、將上述制得的膜真空干燥，700℃條件下碳化4h，升溫速率為5℃/min、適當(dāng)壓片、裁片制備成電池電極。
實(shí)施例3：
1、將5g的Fe3O4分散于38g N-甲基吡咯烷酮中超聲、攪拌直到分散均勻，然后加入6g聚乙烯醇和1g聚乙烯吡咯烷酮，60℃的水浴鍋中攪拌22h，均勻后靜置脫泡。
2、將上述步驟中得到的鑄膜液在潔凈玻璃板上刮膜，然后將膜放在水中進(jìn)行相轉(zhuǎn)化，接著用去離子水進(jìn)行洗滌，充分洗去膜孔內(nèi)溶劑。
3、將上述制得的膜真空干燥，1000℃條件下碳化4h，升溫速率為5℃/min，壓片、裁片制備成電池電極。