[发明专利]一种硅负极和含有该硅负极的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅负极和含有该硅负极的锂离子电池。

背景技术

锂离子二次电池由于具有体积小、能量密度大等特点，在移动通信设备、 数码相机、笔记本电脑等电子产品被广泛作为主流电源使用。目前传统的锂 钴氧/石墨体系的二次电池的容量已接近其理论最高容量，很难通过提高敷料 密度、减小集流体或隔膜的厚度等方法来提高其体积能量密度。随着移动电 子产品的更新换代，特别是手机3G时代的来临，对超高容量电池的出现提 出了迫切的要求。

近年来，将硅基材料作为锂离子电池的负极材料进行了广泛细致地研 究。硅基材料有晶体和无定形两种形式，其中，作为负极材料，以无定形硅 基材料的性能较佳，另外，处于晶体和无定形之间的微晶态也可以作为负极 材料。在充放电过程中，锂可以在硅基材料中进行脱嵌。锂插入到硅中时， 可以与硅形成合金。这种硅负极材料具有极高的比容量，理论容量可以达到 4200mAh/g。

但是，硅基材料在脱嵌锂前后会产生巨大的体积变化，硅基材料完全嵌 锂后体积约膨胀为原来的4倍。因此，在充放电过程中的如此剧烈的体积变 化引发了一系列致命的问题，例如，循环过程中负极材料的破碎、粉化引起 的脱嵌锂能力的丧失，负极材料从集流体上脱落而引起的集流特性的劣化， 集流体上产生褶皱而引起的卷绕体电芯的鼓胀等导致电池的循环性能明显 下降。

粘结剂作为负极材料的重要组成部分，用于粘结材料颗粒与颗粒以及粘 结材料颗粒与集流体，防止活性材料的脱落粉化等，很大程度上决定着电极 的性能。目前，常用的电极粘结剂为苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)或不具备官 能团的含氟聚合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)。PVDF具有强的粘合力，但 是，PVDF在有机电解液如丙烯碳酸酯、二甲氧基乙烷或γ-丁内酯中容易发 生溶胀，使得粘结剂的初始粘合力和电极结构难以得到恢复，导致电池性能 下降，电池的循环性能较差。SBR具有优异的弹性能力，但是SBR的粘合 力较弱，颗粒与颗粒之间以及颗粒与集流体之间的粘结不牢固，负极的集流 性能很差，电极性能降低。特别对于体积膨胀效应大的硅负极，现有粘结剂 根本无法满足要求，因此对现有硅负极，寻找合适的粘结剂也是提高其性能 的有效途径。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有硅负极比容量较低、循环性能较差的缺 点，提供一种比容量高、循环性能好的硅负极。

本发明提供了一种硅负极，该负极包括集流体和负载在该集流体上的硅 负极材料，该硅负极材料包括硅负极活性物质和粘合剂；其中，粘合剂包括 第一聚合物、第二聚合物和第三聚合物，其中，第一聚合物为含氟聚合物； 第二聚合物为含有丙烯腈单元、甲基丙烯腈单元、丙烯酸酯单元和甲基丙烯 酸酯单元中的至少一种的聚合物；第三聚合物选自聚乙烯吡咯烷酮、聚(亚 烷基)二醇、丙烯酰胺、聚乙二醇中的一种或几种。

本发明还提供了一种锂离子电池，该电池包括极芯和非水电解液，其中， 极芯和非水电解液密封在电池壳体内。极芯包括正极、负极及位于正极和负 极之间的隔膜，其中，负极为上述硅负极。

本发明提供的锂离子电池可以实现以下优点：

(1)本发明的硅负极中包含的粘合剂是三种聚合物的结合具有很高的 粘合力，只使用少量的粘结剂，即可使负极活性物质与其它电极材料以及集 流体很好地粘结在一起，从而提高电池的比容量，同时提高电池的倍率性能。

(2)本发明硅负极中包含的粘合剂是三种聚合物的结合在电解液作用 下不会溶胀，在电池的循环使用过程中保持很高的粘合力，防止电极材料的 脱落，提高锂离子电池的循环性能。

(3)本发明的发明人意外发现本发明的粘合剂能很好的改善硅基材料 体系的微观结构，增大硅基材料之间的孔隙率，大的孔洞结构有利于电池在 充放电循环过程中部分吸收脱嵌锂产生的体积膨胀，提高锂离子电池的循环 性能。

(4)本发明的发明人同时也意外发现本发明的硅负极中包含的粘合剂 具有较好的力学性能，能加强活性材料颗粒之间的相互作用，特别是能提高 材料的导电性，更有利于离子在材料中的传输，有利于提高电池的放电性能。

具体实施方式

本发明的目的是为了克服现有硅负极比容量较低、循环性能较差的缺 点，提供一种比容量高、循环性能好的硅负极。