[發明專利]一種硅基復合負極片及其制備方法和鋰離子二次電池

在審

• 申請號: 201610776856.7
• 申請日: 2016-08-30
• 公開（公告）號: CN107799723A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 楊婉璐;王志勇;夏圣安
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/36;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司44202
• 代理人: 郝傳鑫,熊永強

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，特別是涉及一種硅基復合負極片及其制備方法和鋰離子二次電池。

背景技術

鋰離子電池因具有高電壓、高能量密度、自放電小、長循環壽命和無記憶效應等優勢，被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車及儲能等領域中。為滿足多種應用場景的需求，提高能量密度和使用壽命是鋰離子電池現階段開發的主要方向。

負極材料是電池中的重要組成部分，目前商用的石墨負極材料的理論容量為372mAh/g，已經不能滿足如富鋰材料、鎳錳尖晶石高電壓材料等高能量正極材料的容量匹配需求。近年來，一類具有超高容量的硅系材料(理論容量4200mAh/g)作為一種大儲量豐富資源，被認為是替代石墨負極的理想材料。但是硅負極材料在脫嵌鋰反應過程中會發生劇烈的體積膨脹(0-300％)，從而導致電極材料的結構破壞與粉化，造成容量迅速衰減、循環壽命縮短。此外，硅負極材料本身還存在電導率低、倍率性能差、首次充放電效率低等缺陷。為了解決這些問題，目前業界主要采用納米化、薄膜化、復合化等方式來改善硅的體積膨脹效應，提高硅的循環穩定性和倍率性能，但效果均不理想，或是循環穩定性能提升有限，或是大量非活性物質的引入極大地消弱了純硅材料的高容量優勢，或是制備過程復雜，難于實現商業化。

因此，開發一種高電導性、高容量、高結構穩定性的硅基復合負極材料是推動硅負極材料商業化進程的關鍵。

發明內容

鑒于此，本發明第一方面提供了一種硅基復合負極片，其具有高倍率特性和高循環穩定性，能有效改善硅的低電導率并解決其膨脹造成的粉化與極化問題，提高電極的容量與循環壽命。

具體地，第一方面，本發明提供了一種硅基復合負極片，其包括集流體、以及設置于所述集流體上的一維硅基殼核復合結構陣列，所述一維硅基殼核復合結構以原位生長于所述集流體上的核負極材料為核、以包覆于所述核負極材料外表面的硅基材料為殼，所述核負極材料為碳納米管、碳納米纖維、多孔碳、石墨烯、嵌鋰金屬及合金、鈦酸鋰、過渡金屬氧化物、雙金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氮化物和金屬磷化物中的一種或幾種，所述核負極材料呈一維垂直陣列結構排列在所述集流體上。

其中，所述硅基材料為硅單質、碳化硅及其復合物、硅氧化物及其復合物、硅碳復合物、雜原子摻雜硅及其復合物、硅合金中的一種或幾種。

所述硅基材料為無定型態薄膜或粒徑為1nm-2μm的晶體顆粒。

所述硅基材料形成的殼的厚度為1nm-10μm。可選地，殼的厚度為10nm-500nm、50nm-250nm、1μm-2μm、3μm-5μm、6μm-8μm。

其中，所述核負極材料呈線狀、棒狀、纖維狀、針狀、管狀或錐狀生長于所述集流體上。所述核負極材料的橫向直徑為10nm-5μm。所述核負極材料形成的陣列高度為500nm-20μm。可選地，核負極材料形成的陣列高度為4μm-10μm。

其中，所述一維硅基殼核復合結構中，所述核負極材料與所述硅基材料的質量比為1:2-100。可選地，所述核負極材料與所述硅基材料的質量比1:2-10。

可選地，所述一維硅基殼核復合結構的所述殼表面進一步設置有碳包覆層。

其中，所述碳包覆層可以是由無定型炭、石墨烯、碳納米管、碳纖維、摻雜碳、石墨鱗片、介孔碳中的一種或幾種材料復合而成。所述碳包覆層的厚度為1nm-1μm。