[發(fā)明專利]一種鋰離子電池硅負(fù)極極片及其制備方法和鋰離子電池

有效

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• 申請日: 2012-11-09
• 公開（公告）號: CN103811719B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張麒
• 申請（專利權(quán)）人: 華為技術(shù)有限公司
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;熊永強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，特別是涉及一種鋰離子電池硅負(fù)極極片及其制備方法和鋰離子電池。

背景技術(shù)

在眾多的儲能技術(shù)中，鋰離子電池由于具有重量輕、體積小、工作電壓高、能量密度高、輸出功率大、充電效率高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在手機、筆記本電腦等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

但目前智能手機和平板電腦等電子數(shù)碼產(chǎn)品對鋰離子電池的能量密度要求越來越高，而商用的負(fù)極材料石墨很難滿足能量密度要求。硅材料的理論克容量為4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨材料的理論克容量372mAh/g，但硅材料在充放電過程中體積膨脹大，使硅材料目前在軟包裝電池中難以商用化，具體表現(xiàn)在：（1）硅材料體積膨脹導(dǎo)致負(fù)極極片厚度增大，進而引起鋰離子電池體積增大；（2）硅材料體積膨脹導(dǎo)致硅材料之間以及硅材料與導(dǎo)電碳之間的接觸降低，嚴(yán)重影響鋰離子電池的循環(huán)使用壽命；（3）硅材料體積膨脹后易從集流體上脫落，容易引起自放電和內(nèi)短路等安全問題。

為使硅材料能夠商用化于鋰離子電池的負(fù)極極片中，當(dāng)前對硅材料的研究重點為如何控制硅材料膨脹。目前采用較多的辦法是對硅材料進行優(yōu)化與改性，比如采用納米硅粉、硅納米線，硅納米管或硅碳復(fù)合，也有人采用氣相沉積法在無定形碳上沉積納米硅，雖然這些方法在一定程度上提高了硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性，但是這些方法提高穩(wěn)定性的效果有限，而且制備這些硅材料的工藝復(fù)雜，工藝能耗大，增加了鋰離子電池的成本，難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的商業(yè)化。

此外，也有人提出制備多孔硅基負(fù)極的電極。例如，公開號為CN101894940A的中國專利申請文件通過在硅基負(fù)極漿料中加入成孔劑（氟化銨、氯化銨、硝酸銨等），然后在保護氣體下進行高溫烘干，使成孔劑蒸發(fā)，即在制備負(fù)極的過程中在負(fù)極預(yù)留空間，得到含有多孔的硅基負(fù)極。但該制備方法需要在保護氣體中高溫下進行，能耗大，工藝成本高，而且所用的成孔劑具有腐蝕性，會腐蝕銅集流體，含有一定的毒性，不易安全生產(chǎn)。又例如，公開號為CN101192663A的中國專利申請文件在制備電極的過程中在電極漿料中加入造孔聚合物（聚亞烷基碳酸酯、聚亞烷基氧化物、聚烷基硅氧烷、聚丙烯酸烷基酯、聚甲基丙烯酸烷基酯等聚合物或共聚物），該電極用于制備電池時，造孔聚合物浸潤于電解質(zhì)溶液中，此時造孔劑溶解于電解液中從而在活性材料層內(nèi)起到形成孔的作用。該制備方法雖然易于操作，但其中使用的造孔聚合物與電解液的主體成分不同，溶解于電解液后將引起電解液組分變化，最終將影響鋰離子電池的性能。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明實施例第一方面提供了一種鋰離子電池硅負(fù)極極片，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中鋰離子電池負(fù)極硅材料在充放電過程中體積膨脹帶來的鋰離子電池體積增大、鋰離子電池循環(huán)使用壽命縮短、易出現(xiàn)自放電和內(nèi)短路以及現(xiàn)有技術(shù)中鋰離子電池負(fù)極中存在的造孔劑易溶解于電解液中導(dǎo)致電解液組分發(fā)生改變的問題。本發(fā)明實施例第二方面提供了該鋰離子電池硅負(fù)極極片的制備方法，用以解決現(xiàn)有多孔硅負(fù)極極片生產(chǎn)能耗大、工藝成本高、不易安全生產(chǎn)的問題。本發(fā)明實施例第三方面提供了包含所述鋰離子電池硅負(fù)極極片的鋰離子電池，該鋰離子電池能量密度高且循環(huán)壽命長。

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種鋰離子電池硅負(fù)極極片，包括集流體和涂覆在所述集流體上的硅負(fù)極活性材料層，所述硅負(fù)極活性材料層的材質(zhì)包括硅材料、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和造孔劑，所述造孔劑為接枝吸電子基團的碳酸乙烯酯或其同系物形成的聚合物，所述造孔劑占硅負(fù)極活性材料總重量的5%~25%。

優(yōu)選地，所述造孔劑為至少含有以下通式Ⅰ的聚合物中的一種或幾種的聚合物顆粒，

通式Ⅰ：

其中，R為H或C1~C6的鏈狀烷基，R’為NO₂、CN或鹵素，n為10~10000的整數(shù)。

優(yōu)選地，所述造孔劑具有500~1000000的重均分子量。

優(yōu)選地，所述造孔劑占硅負(fù)極活性材料總重量的10%~20%。

優(yōu)選地，所述硅材料為硅納米顆粒、硅合金材料、硅氧碳復(fù)合材料或納米硅/二氧化硅復(fù)合物。

優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇、聚酰亞胺和聚氨酯中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電劑為石墨、膨脹石墨、碳納米管、碳纖維、活性碳、無定形碳、導(dǎo)電炭黑、乙炔黑、Super?P和KS-6中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述硅材料、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑分別占硅負(fù)極活性材料總重量的60%~90%、4%~10%和1%~5%。

優(yōu)選地，所述硅負(fù)極活性材料層的厚度為30~200μm。