[发明专利]一种锂离子电池非水电解液、锂离子电池负极及包含该负极的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其涉及一种硅负极锂离子电池非水电解液、锂离子电池负极及包含该负极的锂离子电池。

背景技术

现有技术中，硅基材料（硅、硅合金和硅碳复合材料）因在室温下具有超高的理论比容量和合适的操作电压，因此，硅负极因为有可能在下一代锂离子电池中取代石墨负极而备受关注；另一方面，硅电极与石墨电极相比，硅电极在充放电过程中体积变化更大，且硅表面与电解液的反应性更强，电池在经过首次充放电循环后，硅电极的表面上仍会发生电解液的还原反应，因此，电极表面在没有 SEI 钝化膜或 SEI 钝化膜覆盖不完全的情况下，这些反应会加剧电极比容量的损失。

而根据进一步的研究发现，若采用硅作为负极活性物质，硅与电解液中的锂盐的阴离子（如 PF₆⁻）之间的反应比其与锂电池电解液中的有机溶剂（如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）等）之间的反应性更强；硅与电解液中的锂盐的阴离子（如 PF₆⁻）之间反应会生成稳定的磷氟化合物，而被这些磷氟化合物覆盖的硅电极便不能再与锂反应，从而造成了电池比容量的下降；因此，为了防止硅电极与电解液之间的直接反应，对电极/有机电解液界面之间 SEI 层的改性显得尤为必要。

目前大多数研究人员依然通过在电解液中添加碳酸亚乙烯酯（VC）或其他的成膜添加剂作为硅负极成膜添加剂，而此类成膜添加剂的成膜原理大致相同，均是通过在一定电位下发生还原反应并在在负极形成一层保护膜；该类方法存在一个较大的问题，因为硅负极在锂离子的嵌脱过程中会发生很明显的体积膨胀，这就使得在负极表面形成的保护膜因硅的体积膨胀而发生破裂，在锂电池进行下一次的充放电过程中，保护膜破裂的地方会与电解液发生副反应而消耗电解液，以此形成恶性循环。

发明内容

本发明针对上述技术问题，本申请提出了一种硅负极锂离子电池非水电解液包括锂盐、非水溶剂以及成膜添加剂，其特征在于，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：

式(1)；其中M为链状的烷基-C_n1H_2n1+1， R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、l链状烷氧基-C_n2H_2n2+1O、链状氨基-H₂N(CH₂)_n3中的一种；或M为链状的氨基-H₂N(CH₂)_n1＇，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-C_n2H_2n2+1O中的一种；其中，1≤n1≤20，3≤n1＇≤20，1≤n2≤4，2≤n3≤15。

本申请通过在电解液中添加本申请所述结构的硅烷成膜添加剂，该结构的硅烷成膜添加剂属于一种长链大分子，且极易吸附在硅负极材料层表面，该种结构的硅烷中的Si-R₁、Si-R₂、Si-R₃键极易发生水解而形成Si-H键；与此同时，硅负极材料层在空气中时易发生羟基化，在表面形成Si-OH键，当表面形成大量Si-OH键硅负极材料层与本申请所述的非水电解液接触时，本申请所述结构的硅烷成膜添加剂吸附在硅负极材料层的表面，经水解后的硅烷成膜添加剂分子中的Si-H键与羟基化后的硅负极材料层表面的Si-OH键发生缩聚反应形成Si-O-Si键键合连接，该硅烷成膜添加剂分子中的Si-R₁、Si-R₂、Si-R₃键被Si-O-Si键代替，从而在硅负极材料层表面形成紧密排列、二维有序且热力学稳定的硅烷自组装单分子膜层；该单分子膜层能够有效阻止溶剂分子通过，并将溶剂分子隔绝在硅负极附近，从而阻止溶剂分子在负极表面发生还原反应；并且，当硅负极发生体积膨胀效应时，该单子膜层能够在硅负极表面保持完好状态，有效地阻碍硅负极与电解液的接触，解决了现有技术中普通成膜添加剂在硅负极表面成膜后由于硅负极的体积膨胀效应而发生膜破裂的问题。

本申请进一步提供一种硅负极，包括负极集流体和位于负极集流体表面的硅负极材料层，其特征在于，还包括位于硅负极材料层表面的成膜添加剂自组装单分子膜层，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：