[发明专利]一种高容量硅负极锂离子电池

说明书

一种高容量硅负极锂离子电池，其采用多个圆柱形单体卷芯并联而成。每个单体又分别采用可以向内膨胀的硅负极片和弹性透气的箍紧胶布。由于硅负极材料在锂离子电池充电时会急剧膨胀，导致循环寿命锐减。本发明采用圆柱形卷芯结构，本身可以降低体积膨胀的危害程度，同时向内膨胀的硅负极片可以让硅负极料向内膨胀，还有弹性透气胶布也可以缓解膨胀带来的危害，这都大大提高了高容量硅负极锂离子电池的电性能和安全性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高容量硅负极锂离子电池。

背景技术

负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键技术指标。随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，动力电池相关材料也向着提供更高能量密度的方向发展。传统锂离子电池的石墨负极已经无法满足现有需求，高能量密度负极材料成为企业追逐的新热点。硅基材料负极由于丰富的储量和超高的理论比容量正逐渐成为电池企业和锂电材料商改善负极的最优先选择，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。

硅材料最大的优势是容量高，在完全嵌锂状态下晶体硅材料的比容量可达4200mAh/g(Li4.4Si)，达到石墨材料的10倍以上，甚至要比金属锂负极的容量(3860mAh/g)还要高，但是硅负极材料也存在严重的体积膨胀问题，在完全嵌锂状态下，硅负极的体积膨胀可达300％，这不仅仅会导致Si负极的颗粒破碎，还会破坏电极的导电网络和粘接剂网络，导致活性物质损失，从而严重影响硅负极材料的循环性能，这也成为了阻碍硅负极材料应用最主要的障碍。

圆柱形锂离子电池应用广泛，特斯拉纯电动车ModelS等使用的就是日本松下公司生产的圆柱形锂离子电池，国内上市公司坚瑞沃能生产的动力电池系统也是以圆柱形32650为单体组装的，韩国的三星、LG也大量生产18650圆柱形锂离子电池并广泛应用在3C数码产品与动力电池系统上。

圆柱形锂离子电池的优点之一就是可靠性高，不会鼓胀，由于本身就是圆形，电池内部压力增大时也无法再鼓胀。其他电池，不论是方形电池还是聚合物电池，不当条件下，内部压力增大时，电池会从中间向外凸起，严重时会破坏用电器甚至产生安全事故。

圆柱形锂离子电池的标准配置就是圆柱形卷芯，其收尾部分大都采用普通胶布缠绕一到几圈箍紧。这些胶布弹性差，无孔，不透气。而锂离子电池在充电时石墨负极时会发生体积膨胀的，如果采用硅材料负极这种状况尤其严重，对于石墨负极来说适度的向外膨胀是有利于电池充放电，一旦卷芯体积被固定死，导致石墨充电时膨胀受阻，可能会引起电池内部极化，轻则充电电压升高，内部发热，重则锂离子在负极表面析出，导致电池寿命降低。而且，普通胶布无孔，电解液不能穿透胶布，只能从两头向内渗透，需要长时间放置浸液，影响生产效率。还有，由于普通胶布无孔，散热性能一般，影响电池的导热与散热性能。

发明内容

本发明公开一种高容量硅负极锂离子电池，其采用多个圆柱形单体卷芯并联而成。每个单体又分别采用可以向内膨胀的硅负极片和弹性透气的箍紧胶布。由于硅负极材料在锂离子电池充电时会急剧膨胀，导致循环寿命锐减，本发明采用圆柱形卷芯结构，本身可以降低体积膨胀的危害程度，因为其他方形鼓胀的趋势就是电池变圆。而且向内膨胀的硅负极片可以让硅负极料向内膨胀，大大降低充电时电池的膨胀率。

本发明还采用一种弹性透气胶布来收尾箍紧，可以保持卷芯内部保持几乎恒定的压力，能够保证正负极极片之间始终保持良好的电化学接触，当电池充电内部膨胀时，整个卷芯可以向外膨胀，当电池放电时收缩时，卷芯可以向内收缩，从而给予电池正常充电导致的向外膨胀的空间，降低内部极化，减小结构破坏。另外，由于胶布透气，电解液可以通过胶布直接向内渗透，尤其是极片集流体上开孔时效果更明显，大大缩短浸液时间，提高生产效率。还有，当电池遇到不利条件过度膨胀时，弹性胶布的被拉长，弹力增加，反过来约束卷芯的膨胀，这样可以缓解卷芯内部的应力，提高锂离子电池的使用寿命。最后，由于弹性透气胶布可以透气，尤其是极片集流体上开孔时，将大大提高电池的导热和散热性能。

本发明的技术方案为：