[發明專利]復合負極及其制備方法、包括復合負極的堿金屬電池

在審

• 申請號: 201710259710.X
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN108736014A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 凌仕剛;李泓
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01M4/64
• 分類號: H01M4/64;H01M4/66;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 北京市正見永申律師事務所 11497
• 代理人: 黃小臨;馮玉清

本發明公開了復合負極及其制備方法、包括復合負極的堿金屬電池。根據一示例性實施例，一種用于堿金屬電池的復合負極可包括：集流體；以及形成在所述集流體上的復合負極活性層，所述復合負極活性層包括至少兩種不同的負極活性材料，并且具有20％至90％的孔隙率。本發明的復合負極可以減少或防止表面堿金屬析出與枝晶生長現象，從而有效地提升堿金屬電池的安全性、能量密度和在大電流密度下的工作性能。

技術領域

本發明總體上涉及電化學儲能器件與新能源領域，更特別地，涉及一種用于堿金屬(鋰、鈉、鉀)電池的復合負極及其制備方法、以及包括該復合負極的堿金屬電池。

背景技術

以鋰離子電池為代表的目前商業化及正在研發中的堿金屬電池中使用的負極活性材料主要包括各種碳材料(例如人造石墨、天然石墨、人造中間相碳微球、軟碳、硬碳等)和含硅負極(例如氧化亞硅、硅碳復合負極等) 材料等。與碳材料相比，硅基負極材料具有更高的理論比容量(4200mAh/g)，同時具有相對低的電極電位(vs Li/Li+)，因此具有很大的應用潛力。但是，硅基負極材料也有一些缺陷，例如在充放電過程中存在較大的體積膨脹，而且首周庫倫效率不高。為了提升電池的能量密度，研究人員正在嘗試使用硅碳復合材料作為電池的負極活性材料，與純硅負極及氧化亞硅等負極活性材料相比，首周庫倫效率和體積膨脹都取得了顯著的改善。使用這類復合負極活性材料在一定程度上提升了現有鋰離子電池的能量密度，但是仍存在進一步提升電池能量密度，同時兼顧工況循環特性，并且延長服役壽命的需要。

為了進一步提升電池的能量密度，金屬鋰及鋰合金負極是未來的發展方向之一。金屬鋰具有高的理論比容量(3860mAh/g)，同時具有非常低的標準電極電位(-3.04V)，應用潛力巨大。但純金屬鋰負極及鋰合金負極存在顯著的缺陷，主要是使用金屬鋰負極的鋰電池在充放電過程中存在嚴重的鋰粉化、鋰枝晶生長等現象，而使用鋰合金負極的電池同樣存在粉化及鋰偏析聚集等問題，這一現象在大倍率/大電流密度下更為突出。由于鋰離子在負極側主要是在一個有限的表面進行沉積和脫出，耐受大電流(單位面積電流較大)性能較差，因此要實現使用純金屬鋰和鋰合金負極的電池的實際應用，仍需要克服許多問題。

發明內容

本發明的一個方面在于提供一種用于堿金屬(鋰、鈉、鉀)電池的高孔隙率復合負極及其制備方法，其可以減少或防止表面堿金屬析出與枝晶生長現象，從而有效地提升堿金屬電池的安全性、能量密度和在大電流密度下的工作性能。

本發明的另一方面在于提供包括上述復合負極的堿金屬電池。

根據一示例性實施例，一種用于堿金屬電池的復合負極可包括：集流體；以及形成在所述集流體上的復合負極活性層，所述復合負極活性層包括至少兩種不同的負極活性材料，并且具有20％至90％的孔隙率。

在一些示例中，所述復合負極活性層具有25％至60％的孔隙率。

在一些示例中，所述復合負極活性層具有30％至50％的孔隙率。

在一些示例中，所述至少兩種不同的負極活性材料中的每種的質量占所述復合負極活性層的有效電極總質量的1％至99％。

在一些示例中，所述至少兩種不同的負極活性材料選自包括如下材料的組：金屬鋰、鋰合金、金屬鈉、鈉合金、金屬鉀、鉀合金、天然石墨、人造石墨、人造中間相碳微球、硬碳、軟碳、鈦酸鋰、氧化亞硅、硅、硅碳復合物負極材料、含錫負極材料、過渡金屬化合物負極材料A_xB_y，其中A為Ti、 V、Cr、Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Zn、Ru或Mo，B為F、O、S或N，x和 y是正整數。

在一些示例中，所述至少兩種不同的負極活性材料選自鈦酸鋰、軟碳和硬碳。

在一些示例中，所述復合負極還包括：界面層，設置在所述集流體與所述復合負極活性層之間以改善二者之間的導電性。

在一些示例中，所述界面層包括石墨烯。