[發(fā)明專利]電池負電極及其制備方法和鋰離子電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610261924.6
• 申請日: 2016-04-25
• 公開（公告）號: CN105762364B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發(fā)明（設計）人: 鄒繼兆;曾紹忠;曾燮榕;于湘勇;程標;劉長;吳洪亮
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/13;H01M4/139;H01M4/38;H01M4/48
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 左光明

本發(fā)明提供了一種電池負電極及其制備方法和鋰離子電池。本發(fā)明電池負電極包括負極集流體和形成于所述集流體表面的負極活性層，所述負極活性層中含有硅基負極材料、含有羧基基團的粘結(jié)劑和含有石墨烯的導電劑，且所述有機物粘結(jié)劑通過其所含的羧基基團與石墨烯和硅基負極材料所含的羥基交聯(lián)形成的酯基，酯基將粘結(jié)劑、石墨烯和硅基負極材料連接形成一個整體網(wǎng)絡。本發(fā)明電池負電極具有高的結(jié)構(gòu)完整性及穩(wěn)定的導電性以及具有高的循環(huán)壽命和比容量。該方法工藝條件可控，制備的電池負電極性能穩(wěn)定，而且生產(chǎn)效率高，降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明鋰離子電池含有電池負電極，其比容量穩(wěn)定，使用壽命長，且安全性能高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電池負極及其制備方法和鋰離子電池。

背景技術(shù)

鋰離子電池以其高電壓、高能量密度和長循環(huán)壽命等優(yōu)異性能而被廣泛應用于手機和筆記本電池、動力電池及儲能電池等。其中手機和筆記本電池已完全被鋰離子電池占據(jù)，其他種類的電池根本無法達到這些便攜式智能設備的嚴苛要求。隨著鋰離子電池技術(shù)發(fā)展，其在動力電池儲能電池中所占的比例也越來越大，從目前的發(fā)展趨勢而言，鋰離子電池正處于一個飛速發(fā)展階段，應用前景廣闊。

隨著智能手機和筆記本電腦的輕薄化、多功能化和屏幕的加大，現(xiàn)有的鋰離子電池同樣難以滿足消費類電子產(chǎn)品對電池日益苛刻的要求，迫切需要新型技術(shù)來有效提高鋰離子電池的比能量。鋰離子電池通常包括負極、隔膜、電解液、正極等四大關(guān)鍵材料及其他輔助材料。而四大關(guān)鍵材料中，負極和正極是其核心材料，負極和正極材料的比容量和嵌脫鋰電壓決定了鋰離子電池的比能量。目前鋰離子電池常用的正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元及磷酸鐵鋰，比容量在100～200mAh/g之間；常用的負極材料為碳類負極材料，比容量在250～360mAh/g之間。鋰離子電池比能量的提高目前主要受限于正極材料的比容量，經(jīng)過各國科學家二十多年的努力，盡管開發(fā)出比容量達到200～300mAh/g的固溶體正極材料，但由于尚未克服其固有缺陷，暫時無法商用，商用的正極材料的比容量仍然低于200mAh/g。

在正極材料比容量提升受阻的情況下，提高負極材料的比容量是提高電池比能量的有效途徑之一。目前商業(yè)化的鋰離子電池主要采用石墨類負極材料，由于石墨的理論嵌鋰容量僅為372mAh/g，且實際應用的材料已達到360mAh/g，因此該類材料在容量上幾乎已無提升空間。為了提高鋰離子電池的比能量，各種新型的高比容量和高倍率性能的負極材料被開發(fā)出來，包括硅基、錫基、納米碳材料及金屬氧化物，其中硅基負極材料由于具有最高的質(zhì)量比容量和較低的電壓平臺(硅的理論比容量為4200mAh/g，脫鋰平臺電壓為0.4V)而成為研究熱點，然而，硅基負極材料在嵌脫鋰過程中伴隨著嚴重的體積膨脹與收縮，導致電活性物質(zhì)的粉化脫落和固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase,SEI膜)的不斷形成，直接導致比容量快速衰減且充放電效率低等問題。

針對硅基負極材料的上述問題，優(yōu)化硅基負極材料本身的微觀結(jié)構(gòu)固然是一種根本性的解決方法，除此之外，優(yōu)化粘結(jié)劑的種類和特性也是一種非常有效地輔助方法。常用的粘結(jié)劑如聚偏氟乙烯(PVDF)因為粘結(jié)強度低、力學性能差及與硅基負極材料的結(jié)合力低等原因而不適用于硅基負極材料。

在鋰離子電池的極片中，除了有活性物質(zhì)、粘結(jié)劑之外還有一種很重要的添加劑——導電劑，通常為乙炔黑。乙炔黑為20～50nm顆粒狀炭黑，由于為顆粒狀，在制漿過程中分散均勻，漿料涂布干燥后，乙炔黑會在極片中形成一個三維導電網(wǎng)絡，是電子傳輸?shù)闹饕ǖ馈５捎谝胰埠谑穷w粒狀，顆粒之間的接觸點多且接觸電阻較大，并且顆粒之間僅靠分子間力吸附在一起，較脆弱。這種導電網(wǎng)絡用于硅基負極材料時，由于硅基負極材料在嵌脫鋰過程中伴隨著巨大的體積變化，容易導致極片中的導電網(wǎng)絡與硅顆粒接觸電阻變大，導電網(wǎng)絡本身也在反復的體積膨脹與收縮循環(huán)中瓦解，致使電子傳輸阻力變大，最終體現(xiàn)為極片比容量的快速衰減。