[發明專利]一種含鋁負極材料、負極極片及鋰離子二次電池

有效

• 申請號: 202011461244.1
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112563511B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 唐永炳;陳閃閃;謝呈德;蔣春磊;徐建龍
• 申請（專利權）人: 深圳中科瑞能實業有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/38;H01M10/0525;H01M10/42
• 代理公司: 深圳市精英專利事務所 44242
• 代理人: 李瑩

本發明公開了一種含鋁負極材料、負極極片及鋰離子二次電池，涉及鋰離子電池技術領域。該含鋁負極材料，按質量分數計，包括鋁粉負極活性材料1?40％、石墨負極活性材料55?95％、改性劑0.5?3％、粘結劑1?4％；所述改性劑選自主鏈含有酰亞胺環、酰胺基團、胺基、氰基、酯基、四氟取代基中的一種或多種的具有粘結性能的聚合物。本發明利用改性劑與鋁粉形成氫鍵、化學鍵等，對鋁粉進行表面改性，提高鋁粉和其他材料之間的粘結性，解決了鋁粉或鋁粉/石墨復合材料循環穩定性差的問題；進而使制得的含鋁負極極片具有良好的粘結性和柔韌性，采用該含鋁負極極片制得的鋰離子二次電池具有高能量密度、高安全性，以及好的循環穩定性。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種含鋁負極材料、負極極片及鋰離子二次電池。

背景技術

鋰離子電池廣泛應用于汽車、電子領域，目前市場上的鋰離子電池主要采用石墨作為負極活性材料，石墨的理論嵌鋰比容量為372mAh/g，嵌鋰電位在0.1V左右。為了提高鋰離子電池的能量密度，負極材料必然向高比容量方向發展。金屬鋁與鋰離子發生反應形成Li-Al合金，鋁的理論嵌鋰比容量為993mAh/g，嵌鋰電位在0.25V左右，鋁的理論嵌鋰比容量高于石墨，且嵌鋰電位稍高，另一方面，鋁具有優異的導電導熱性能等優點，成為鋰離子電池負極活性材料的選擇。但是，鋁在嵌鋰和脫鋰過程發生較大的體積變化（嵌鋰形成Li-Al合金態時，體積膨脹接近100%），粘結劑PVDF的粘結力差，其在高膨脹形變下容易剝離，導致活性物質脫落，造成電池循環性能很差。粘結劑PTFE的四個-F可以與鋁形成更強氫鍵，且它能夠在電極中形成彈性網狀結構，在這種結構中，活性物質不但彼此接觸良好，有利于電子的傳導，還可以對抗電極充放電造成的膨脹和收縮，但是部分研究發現，PTFE會增加電極的電阻，降低電極可逆性，從而降低循環性能。楊全紅等使用石墨烯與金屬鋁粉通過球磨的方式制備出了石墨烯/鋁復合負極材料，使用PTFE作為粘結劑制成負極片，該材料容量發揮接近1200mAh/g，但是僅僅循環10周，其容量保持已經接近60%[楊全紅，游從輝，蘇方遠，呂偉，鋰離子電池的石墨烯/鋁復合負極材料及其制備方法CN101937994.A]。這說明了鋁粉或其混合物作為鋰離子電池負極活性材料時，PTFE作為粘結劑不能有效改善電池的循環性能，還需要對鋁進行表面改性等措施來提高電池的循環穩定性。楊學兵等通過化學氣相沉積法在鋁表面制備碳層，然后將碳層包覆的鋁與石墨形成復合材料，希望利用碳層緩解鋁在嵌鋰和脫鋰過程中的體積變化，但循環30周，其容量已經衰減到70%左右[楊學兵, 王光俊,陳煒, 張宏立，一種鋰離子電池負極材料的制備方法，CN201710945811.2]。采用該負極材料的鋰離子二次電池循環性能仍很不理想，且方法工藝復雜、成本高。

目前市場上的鋰離子電池主要采用石墨作為負極，石墨負極克容量較低，嵌鋰電位低，導致電池存在能量密度低、安全隱患等問題。鋁的理論嵌鋰比容量高于石墨，且嵌鋰電位稍高，另一方面，鋁具有優異的導電導熱性能等優點，鋁作為負極活性材料有望提升電池能量密度，解決安全隱患，引起研究人員的關注。但是鋁作為負極活性材料時，其在嵌鋰和脫鋰過程發生較大的體積變化，粘結劑PVDF的粘結力差，容易剝離，導致活性物質脫落，進而造成電池循環性能極差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是含金屬材料的負極的電池循環性能差、電池能量密度低。

為了解決上述問題，本發明提出以下技術方案：

本發明提供一種含鋁負極材料，按質量分數計，包括鋁粉負極活性材料1-40%、石墨負極活性材料55-95%、改性劑0.5-3%、粘結劑1-4%；所述改性劑選自主鏈含有酰亞胺環、酰胺基團、胺基、氰基、酯基、四氟取代基中的一種或多種的具有粘結性能的聚合物。

可以理解地，本方案利用能夠與鋁之間形成共價鍵或更多氫鍵的主鏈含有酰亞胺環(-CO-N-CO-)、酰胺基團(-CO-NH-)、胺基（-NH-）、氰基（-CN-）、酯基（-COO-）、四氟取代（-CF2-CF2-）等具有粘結性能的聚合物，將鋁粉表面改性，提高各組分之間的粘結性，進而提高電池循環能力。