[发明专利]复合负电极及其制备方法、电化学电源及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种复合负电极及其制备方法、电化学电源及其应用。

背景技术

现有锂离子电池多数采用石墨类负极材料，并将活性物质涂覆在一条平面铜箔集流体上。石墨材料虽由于充电所发生的体积膨胀只有10%左右，即使历经几百次循环充放电，活性物质与集流体依然能保持良好的电接触，但是为了追求高比能量密度，极片的涂覆厚度高达几十微米甚至超过一百微米。这样就存在极片表面的活性物质与集流体的距离远，电子传输路径长，使得电池只能以较小的电流进行充放电，电池的功率密度比较低，充电时间需要几个小时。

另外经过二十年的发展，现有石墨材料的实际容量(约350~360mAh/g)已接近其理论容量（372mAh/g），容量提升的空间很有限。而智能手机等新兴电子产品的出现，使得传统的锂离子电池已经不能满足这些电子产品的备电需求，人类急需开发具有更高比能量的备电电池产品来满足人类使用智能手机畅游网络的梦想。

Si、Sn、Al、Sb、Ge、Zn、Pb、Mg、Na等材料由于具有更高的比容量（如Si负极的理论容量高达4200mAh/g,是石墨的10倍）而成为高比能负极活性材料的首选，然而他们会由于嵌入锂离子而发生巨大的体积膨胀效应（如硅负极体积膨胀率超过300%），必须克服或抑制这种体积膨胀效应才能够使这些新型的高比能电极材料得到真正的应用。

为了减缓这些材料的体积膨胀效应，研究学者及材料厂商将Si、Sn、Al、Sb、Ge、Zn、Pb、Mg、Na等材料制备成纳米颗粒、纳米线、纳米纤维等高比表面的纳米材料，再涂覆在平面铜箔集流体上。纳米尺度的材料具有比较高的比容量。但是由于纳米材料的团聚以及材料的体积膨胀，活性物质会发生粉化，并从现有的平面铜箔集流体上脱落，电池的循环寿命达不到应用要求。

另有学者利用乙炔黑柔性集流体制备硅负极的复合电极。具体制备方法如下：首先将碳包覆硅、导电碳黑和粘结剂调制成浆料，涂布到隔膜表面并烘干得到碳包覆硅层，再将含乙炔黑和粘结剂的浆料涂布或喷涂到碳包覆硅层表面，烘干后得到一种锂离子电池负极。对于充放电过程中大体积变化的硅基材料而言，这种以乙炔黑为柔性集流体的负极与传统的以铜箔为集流体的负极相比，循环稳定性得到了显着提高。但是这种柔性集流体的强度比较差，如果制备成电池，制备过程中无法进行机械卷绕。且由于强度差，电池内部容易发生极片的变形，进行导致电池外观发生形变，甚至会破坏手机的外观。

业界也有公司利用氢气泡模板法制备多孔集流体，然后现场沉积锡制备出复合电极。其制备方法包括以下步骤：首先，采用氢气泡模板法制备出多孔集流体；然后，采用复合电沉积法在多孔集流体上沉积锡基合金和碳纳米管，得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。但是该方法制备过程比较复杂，其需要现场电沉积锡合金和碳纳米管，电极沉积厚度较小，电池的比能量提高幅度不大，且电极的制备效率低。

发明内容

本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种体积稳定，容量高的复合负电极。

本发明实施例的另一目的在于提供一种工艺简单的复合负电极的制备方法。

本发明实施例的又一目的在于提供一种能大电流充放电，兼顾高比能量和功率的电化学电源及其应用。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种复合负电极，包括一层或两层以上层叠结合的多孔集流体，所述多孔集流体的孔洞中填充有活性填充物，所述活性填充物含有粘接剂、导电剂和具有嵌入锂离子能力的活性物质，所述活性物质占所述活性填充物总重量百分比为80～98%。

优选地，上述活性物质为M元素的纳米单质颗粒、纳米线、纳米管、纳米纤维、纳米薄膜、纳米氧化物颗粒、纳米合金颗粒中的至少一种，或所述活性物质为M元素的纳米单质颗粒、纳米线、纳米管、纳米纤维、纳米薄膜、纳米氧化物颗粒、纳米合金颗粒中的至少一种与碳的复合物；其中，所述M元素为Si、Sn、Al、Sb、Ge、Zn、Pb、Mg、Na中的至少一种。

具体地，当上述活性物质为M元素的纳米单质颗粒、纳米线、纳米管、纳米纤维、纳米薄膜、纳米氧化物颗粒、纳米合金颗粒中的至少一种与碳的复合物时，所述复合物中M元素的纳米单质颗粒、纳米线、纳米管、纳米纤维、纳米薄膜、纳米氧化物颗粒、纳米合金颗粒中的至少一种与碳的的复合物中，所述M元素活性物质在所述复合物中的重量含量为10~98%。

具体地，上述纳米单质颗粒、纳米氧化物颗粒或纳米合金颗粒的粒径为1～800nm。

优选地，上述多孔集流体的层数为1～20层。