[发明专利]一种基于硅负极的新型高电压锂离子电池及能量存储元件

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种基于硅负极的新型高电压锂离子电池及能量存储元件。

背景技术

21世纪人类必须面对能源和环境的两个严峻问题，因此开发新能源和可再生清洁能源有着深远的意义。电动汽车采用电能取代石油等化石燃料作为动力，具有节能环保的优势，受到了全球的关注。在与电动汽车相关的研究热点中，电池技术被视为最主要的难关。但是目前的动力离子电池体系在比能量、比功率、使用寿命、成本方面，还存在很多亟待解决的问题。因此，开发设计安全性好、比能量高、循环性能好的动力锂离子电池是必要和迫切的。

锂离子电池正极材料是锂离子电池的重要组成部分之一，其研究发展直接影响到锂离子电池整体性能。LiCoPO₄晶体具有与磷酸铁锂一样有序的橄榄石型稳定的结构，属于正交晶系，理论放电容量为167mAh/g，LiCoPO₄正极材料具有安全性能好，相对于锂电极电势高(约4.8V)，有望成为新一代高容量、高电压、高能密度的正极材料。

此外，负极材料也是影响锂离子电池整体性能的重要因素。目前，商业化使用的负极材料大多为石墨负极材料。该类负极材料具有良好的充放电平台和结构稳定性，但其实际放电比容量(约为330mAh/g)已接近其理论值(372mAh/g)，无法满足新一代锂离子电池的需求。因此，开发、设计新型高容量的负极材料迫在眉睫。硅基材料由于具有超高的理论比容量(最高4200mAh/g)和较低的脱锂电位(约0.4V vs Li/Li⁺)，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难以引起表面析锂，安全性能更好，而且硅在地球上储量丰富，成本较低，因而成为锂离子电池碳基负极升级换代的富有潜力的选择之一。

因此，以LiCoPO₄作为正极材料，以硅基材料作为负极材料，设计、研究、开发新型高电压、高安全性、高能量密度的磷酸钴锂/硅基材料动力锂离子电池具有重要的科学意义和产业化应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高电压、高安全性、高结构稳定性的基于硅负极的新型高电压锂离子电池及能量存储元件。

一种基于硅负极的新型高电压锂离子电池，包含能够可逆嵌脱锂的正极、负极、隔膜和电解质，其特征在于，所述正极以磷酸钴锂及其复合物作为正极活性物质；所述负极以硅基材料作为负极活性物质，以水基粘结剂作为负极粘结剂。

进一步地，磷酸钴锂复合物至少选自磷酸钴锂/碳复合物、磷酸钴锂/金属离子掺杂复合物、磷酸钴锂/导电聚合物复合物中的一种。

进一步地，所述的磷酸钴锂/碳复合物中的碳至少包括多孔导电碳黑(KetjenblackEC600JD)、微孔超导碳黑(BP2000)、碳纳米纤维(CNFs)、有序介孔碳(OMC)、多孔碳(CMK-3)、氧化石墨烯(GO)、石墨烯(Graphene)中的一种或者几种。