[发明专利]一种锂离子电池硅负极极片及其制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种锂离子电池硅负极极片及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

在众多的储能技术中，锂离子电池由于具有重量轻、体积小、工作电压高、能量密度高、输出功率大、充电效率高、无记忆效应、循环寿命长等优点，在手机、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用。

但目前智能手机和平板电脑等电子数码产品对锂离子电池的能量密度要求越来越高，而商用的负极材料石墨很难满足能量密度要求。硅材料的理论克容量为4200mAh/g，远高于石墨材料的理论克容量372mAh/g，但硅材料在充放电过程中体积膨胀大，使硅材料目前在软包装电池中难以商用化，具体表现在：（1）硅材料体积膨胀导致负极极片厚度增大，进而引起锂离子电池体积增大；（2）硅材料体积膨胀导致硅材料之间以及硅材料与导电碳之间的接触降低，严重影响锂离子电池的循环使用寿命；（3）硅材料体积膨胀后易从集流体上脱落，容易引起自放电和内短路等安全问题。

为使硅材料能够商用化于锂离子电池的负极极片中，当前对硅材料的研究重点为如何控制硅材料膨胀。目前采用较多的办法是对硅材料进行优化与改性，比如采用纳米硅粉、硅纳米线，硅纳米管或硅碳复合，也有人采用气相沉积法在无定形碳上沉积纳米硅，虽然这些方法在一定程度上提高了硅负极的循环稳定性，但是这些方法提高稳定性的效果有限，而且制备这些硅材料的工艺复杂，工艺能耗大，增加了锂离子电池的成本，难以实现大批量生产的商业化。

此外，也有人提出制备多孔硅基负极的电极。例如，公开号为CN101894940A的中国专利申请文件通过在硅基负极浆料中加入成孔剂（氟化铵、氯化铵、硝酸铵等），然后在保护气体下进行高温烘干，使成孔剂蒸发，即在制备负极的过程中在负极预留空间，得到含有多孔的硅基负极。但该制备方法需要在保护气体中高温下进行，能耗大，工艺成本高，而且所用的成孔剂具有腐蚀性，会腐蚀铜集流体，含有一定的毒性，不易安全生产。又例如，公开号为CN101192663A的中国专利申请文件在制备电极的过程中在电极浆料中加入造孔聚合物（聚亚烷基碳酸酯、聚亚烷基氧化物、聚烷基硅氧烷、聚丙烯酸烷基酯、聚甲基丙烯酸烷基酯等聚合物或共聚物），该电极用于制备电池时，造孔聚合物浸润于电解质溶液中，此时造孔剂溶解于电解液中从而在活性材料层内起到形成孔的作用。该制备方法虽然易于操作，但其中使用的造孔聚合物与电解液的主体成分不同，溶解于电解液后将引起电解液组分变化，最终将影响锂离子电池的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种锂离子电池硅负极极片，用以解决现有技术中锂离子电池负极硅材料在充放电过程中体积膨胀带来的锂离子电池体积增大、锂离子电池循环使用寿命缩短、易出现自放电和内短路以及现有技术中锂离子电池负极中存在的造孔剂易溶解于电解液中导致电解液组分发生改变的问题。本发明实施例第二方面提供了该锂离子电池硅负极极片的制备方法，用以解决现有多孔硅负极极片生产能耗大、工艺成本高、不易安全生产的问题。本发明实施例第三方面提供了包含所述锂离子电池硅负极极片的锂离子电池，该锂离子电池能量密度高且循环寿命长。

第一方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池硅负极极片，包括集流体和涂覆在所述集流体上的硅负极活性材料层，所述硅负极活性材料层的材质包括硅材料、粘结剂、导电剂和造孔剂，所述造孔剂为接枝吸电子基团的碳酸乙烯酯或其同系物形成的聚合物，所述造孔剂占硅负极活性材料总重量的5%~25%。

优选地，所述造孔剂为至少含有以下通式Ⅰ的聚合物中的一种或几种的聚合物颗粒，

通式Ⅰ：

其中，R为H或C1~C6的链状烷基，R’为NO₂、CN或卤素，n为10~10000的整数。

优选地，所述造孔剂具有500~1000000的重均分子量。

优选地，所述造孔剂占硅负极活性材料总重量的10%~20%。

优选地，所述硅材料为硅纳米颗粒、硅合金材料、硅氧碳复合材料或纳米硅/二氧化硅复合物。

优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚乙烯醇、聚酰亚胺和聚氨酯中的一种或几种。

优选地，所述导电剂为石墨、膨胀石墨、碳纳米管、碳纤维、活性碳、无定形碳、导电炭黑、乙炔黑、Super P和KS-6中的一种或几种。

优选地，所述硅材料、粘结剂和导电剂分别占硅负极活性材料总重量的60%~90%、4%~10%和1%~5%。

优选地，所述硅负极活性材料层的厚度为30~200μm。