[发明专利]一种硅负极锂离子电池及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体地说是涉及一种硅负极锂离子电池及制造方法。

背景技术

随着电动车和混合动力电动车的迅猛发展，对于有更高的功率密度和能量密度、适合于快速充放电的动力型锂离子电池以及具有更为长久续航能力的能量型锂离子电池的需求十分迫切。开发符合上述要求的锂离子电池的主要思路是寻找新型正极、负极材料，使电池具有更高的锂嵌入量和很好的脱锂可逆性，以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命。当前商业化的锂离子电池负极采用的是石墨系材料，它具有防止锂的枝状结晶、嵌锂时体积变化小等优点，但其大约370mAh/g的理论容量不及锂金属负极理论容量的1/10。因此，人们正在积极研究新的高容量、长循环寿命的负极材料，以替代石墨系材料。

对非碳负极活性此案料的研究表明，有许多高储锂性能的金属或合金类材料可以作为负极活性材料使用，其中硅因为具有嵌锂比容量大（理论比容量高达4200mAh/g）成为目前最具有吸引力的一种负极活性材料。然而，硅在脱嵌锂的过程中存在严重的体积效应，在电池的充放电过程中由于体积膨胀而产生较大的机械应力，导致使用硅做负极活性材料的电池循环稳定性变差，直接阻碍了其的工业化应用。

中国专利公布号CN 101807725 A，公布日2010年8月18日，名称为锂离子电池，该申请案公开了一种锂离子电池，包括电池壳及层叠卷绕成电极组的阴极片、阳极片和隔离膜，阴极片包括阴极集流体和附着于阴极集流体上的阴极膜片，阳极片包括阳极集流体和附着于阳极集流体上的阳极膜片，隔离膜间隔与相邻的阴阳极片之间，阴极集流体由石墨材料制成，阴极片和阳极片分别在其宽度方向上设有未涂布阴/阳极膜片的露出部，露出部作为极耳分别电连接于电池壳的阴极和阳极上。其不足之处在于，循环寿命短，比容量低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术使用硅做负极活性材料的电池循环稳定性变差的缺陷而提供比容量高，循环性能良好的一种硅负极锂离子电池及制造方法。

本发明的另一个目的是提供一种比容量高，循环性能良好的硅负极锂离子电池的制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

    一种硅负极锂离子电池，包括正极、负极和位于正负极之间的隔膜，所述硅负极锂离子电池为叠片式结构，所述负极由集流体、活性物质、导电剂和粘结剂组成，所述活性物质为碳层包覆的硅碳复合材料，所述碳层由葡萄糖或蔗糖热解形成。

作为优选，所述活性物质的碳层的厚度为1nm-20nm，碳层占活性物质的比重为0.1%-1.5%。

作为优选，活性物质占负极的质量百分比为70%-90%，导电剂质量百分比为2%-20%，粘结剂的质量百分比为3%-10%。

作为优选，所述活性物质通过以下步骤制得：

步骤a）球磨：将重量比为1-9:1的天然石墨粉与硅粉在氩气气氛中球磨8-10h，制得硅碳复合材料；其中，天然石墨粉的振实密度为0.96g/c㎡；

步骤b）溶解搅拌：将300-500g葡萄糖或蔗糖溶解于2000-5000g蒸馏水，得糖溶液，向糖溶液中加入步骤a）所得的硅碳复合材料，加入的同时搅拌，加入完后继续搅拌2-4h，制得溶液A；

步骤c）干燥碾磨：将步骤b）制得的溶液A放入110-130℃的烘箱干燥5-8h，自然冷却至室温后，用玛瑙碾磨15-30min，得到样品；

步骤d）后处理：将步骤c）制得的样品在保护气体氛围下按50℃/h的升温速率升至700℃并保温2-4h，自然降温至室温后，取出样品用玛瑙碾钵碾磨30-45min，然后经过200目筛子筛选，得到活性物质。

在本技术方案中，针对硅材料在脱嵌锂前后伴随有巨大体积变化从而导致电池性能迅速衰减问题的一个解决办法是将硅与石墨等进行混合制得硅碳复合材料。在保证硅的较大容量的前提下，利用石墨具有较大比表面积的优点，石墨材料可弹性缓冲硅材料在充放电过程中体积的膨胀和缩小。硅碳复合材料与碳材料相比，一方面，通过硅的添加提高了嵌锂容量；另一方面，碳材料的引入缓冲了硅的膨胀，提高了电子导电性；而在硅碳复合材料外包覆一层碳包覆层，可将硅分割包围，使硅不与电解液直接接触，所形成的核壳结构的大颗粒减小了材料的比表面积，使充放电效率提高，同时使用碳包覆层包覆硅碳复合材料，利用了硅的高容量和碳载体的低体积效应，提高了锂离子电池负极材料的可逆容量，从而增加循环稳定性。步骤d）中在保护气体氛围下按50℃/h的升温速率升至700℃并保温2-4h，自然降温至室温后，是为了让葡萄糖或蔗糖热解在硅碳复合材料表面形成碳包覆层，