[發明專利]一種硅負極和含有該硅負極的鋰離子電池

有效

• 申請號: 200810217716.1
• 申請日: 2008-11-27
• 公開（公告）號: CN101740747A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發明（設計）人: 羅小軍;梁桂海
• 申請（專利權）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/62;H01M10/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種硅負極和含有該硅負極的鋰離子電池。

背景技術

鋰離子二次電池由于具有體積小、能量密度大等特點，在移動通信設備、 數碼相機、筆記本電腦等電子產品被廣泛作為主流電源使用。目前傳統的鋰 鈷氧/石墨體系的二次電池的容量已接近其理論最高容量，很難通過提高敷料 密度、減小集流體或隔膜的厚度等方法來提高其體積能量密度。隨著移動電 子產品的更新換代，特別是手機3G時代的來臨，對超高容量電池的出現提 出了迫切的要求。

近年來，將硅基材料作為鋰離子電池的負極材料進行了廣泛細致地研 究。硅基材料有晶體和無定形兩種形式，其中，作為負極材料，以無定形硅 基材料的性能較佳，另外，處于晶體和無定形之間的微晶態也可以作為負極 材料。在充放電過程中，鋰可以在硅基材料中進行脫嵌。鋰插入到硅中時， 可以與硅形成合金。這種硅負極材料具有極高的比容量，理論容量可以達到 4200mAh/g。

但是，硅基材料在脫嵌鋰前后會產生巨大的體積變化，硅基材料完全嵌 鋰后體積約膨脹為原來的4倍。因此，在充放電過程中的如此劇烈的體積變 化引發了一系列致命的問題，例如，循環過程中負極材料的破碎、粉化引起 的脫嵌鋰能力的喪失，負極材料從集流體上脫落而引起的集流特性的劣化， 集流體上產生褶皺而引起的卷繞體電芯的鼓脹等導致電池的循環性能明顯 下降。

粘結劑作為負極材料的重要組成部分，用于粘結材料顆粒與顆粒以及粘 結材料顆粒與集流體，防止活性材料的脫落粉化等，很大程度上決定著電極 的性能。目前，常用的電極粘結劑為苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)或不具備官 能團的含氟聚合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)。PVDF具有強的粘合力，但 是，PVDF在有機電解液如丙烯碳酸酯、二甲氧基乙烷或γ-丁內酯中容易發 生溶脹，使得粘結劑的初始粘合力和電極結構難以得到恢復，導致電池性能 下降，電池的循環性能較差。SBR具有優異的彈性能力，但是SBR的粘合 力較弱，顆粒與顆粒之間以及顆粒與集流體之間的粘結不牢固，負極的集流 性能很差，電極性能降低。特別對于體積膨脹效應大的硅負極，現有粘結劑 根本無法滿足要求，因此對現有硅負極，尋找合適的粘結劑也是提高其性能 的有效途徑。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有硅負極比容量較低、循環性能較差的缺 點，提供一種比容量高、循環性能好的硅負極。

本發明提供了一種硅負極，該負極包括集流體和負載在該集流體上的硅 負極材料，該硅負極材料包括硅負極活性物質和粘合劑；其中，粘合劑包括 第一聚合物、第二聚合物和第三聚合物，其中，第一聚合物為含氟聚合物； 第二聚合物為含有丙烯腈單元、甲基丙烯腈單元、丙烯酸酯單元和甲基丙烯 酸酯單元中的至少一種的聚合物；第三聚合物選自聚乙烯吡咯烷酮、聚(亞 烷基)二醇、丙烯酰胺、聚乙二醇中的一種或幾種。

本發明還提供了一種鋰離子電池，該電池包括極芯和非水電解液，其中， 極芯和非水電解液密封在電池殼體內。極芯包括正極、負極及位于正極和負 極之間的隔膜，其中，負極為上述硅負極。

本發明提供的鋰離子電池可以實現以下優點：

(1)本發明的硅負極中包含的粘合劑是三種聚合物的結合具有很高的 粘合力，只使用少量的粘結劑，即可使負極活性物質與其它電極材料以及集 流體很好地粘結在一起，從而提高電池的比容量，同時提高電池的倍率性能。

(2)本發明硅負極中包含的粘合劑是三種聚合物的結合在電解液作用 下不會溶脹，在電池的循環使用過程中保持很高的粘合力，防止電極材料的 脫落，提高鋰離子電池的循環性能。

(3)本發明的發明人意外發現本發明的粘合劑能很好的改善硅基材料 體系的微觀結構，增大硅基材料之間的孔隙率，大的孔洞結構有利于電池在 充放電循環過程中部分吸收脫嵌鋰產生的體積膨脹，提高鋰離子電池的循環 性能。

(4)本發明的發明人同時也意外發現本發明的硅負極中包含的粘合劑 具有較好的力學性能，能加強活性材料顆粒之間的相互作用，特別是能提高 材料的導電性，更有利于離子在材料中的傳輸，有利于提高電池的放電性能。

具體實施方式

本發明的目的是為了克服現有硅負極比容量較低、循環性能較差的缺 點，提供一種比容量高、循環性能好的硅負極。