[发明专利]一种负极极片及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明提供一种负极极片，包括集流体、硅‑石墨烯涂层，所述硅‑石墨烯涂层包括硅层和石墨烯层，所述硅层与所述集流体直接接触，所述硅‑石墨烯涂层涂覆在集流体的两面，所述硅‑石墨烯涂层的孔隙率为27%‑33%，大的孔隙率可实现电池的快速充电还可改善充放电中硅的体积膨胀。此外，本发明还提供了制备这种负极极片的方法，以及采用此负极极片组装成的锂离子电池，该电池可进行大电流充电，且有着好的循环性能和高的电池容量。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种负极极片及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、形状大小可调等特点而广泛应用于3C数码产品，如个人电脑、移动电话、便携式CD机等个人无线电子设备中。且随着国家对节能减排的倡导，对新能源行业越来越重视，锂离子电池更是作为一种新能源广泛应用于汽车中。然而与传统的燃油汽车相比，锂离子电池的充电速度较慢，从而限制了电动汽车的普及，因而快速充电技术的研究与应用是必须的。

锂离子电池在进行充电时，锂离子从正极脱出进入电解液，穿过隔膜到达负极表面，然后嵌入到负极的微孔中。当采用大电流充电时，大量的锂离子从正极脱出到达负极，若负极中锂离子嵌入路径较长，则导致大量的锂离子在负极表面沉积形成锂枝晶，不仅降低了电池容量，还会致使电池短路存在安全隐患。通过将负极片做薄可缩短锂离子的扩散路径，从而锂离子可快速的嵌入到负极微孔中，既避免了扩散中副反应的发生，也可实现电池的快充。然而薄的负极片含有较少的负极活性物质，使得电池容量偏低。

硅负极因有着较高的理论克容量（4200 mAh/g），在满足高电池容量的同时，可将负极片做薄，从而有利于电池的快速充电。但硅负极在锂离子脱、嵌过程中，体积变化较大，容易造成硅的破裂和粉化，影响电池的性能与安全。因而，在实现锂离子电池快充的同时，还应保证电池的性能和安全。

发明内容

为实现锂离子电池快速充电以及解决硅负极体积膨胀的问题，本发明提供了一种负极极片及其制备方法和锂离子电池。采用硅-石墨烯复合材料作为负极活性物质，既实现了电池的快速充电，也改善了电池循环中硅体积膨胀的问题。

为实现本发明的目的，本发明第一方面，提供了一种负极极片，包括：

集流体、硅-石墨烯涂层，所述硅-石墨烯涂层包括硅层和石墨烯层，所述硅层与所述集流体直接接触，所述硅-石墨烯涂层涂覆在集流体的两面，所述硅-石墨烯涂层的孔隙率为27%-33%，所述硅-石墨烯涂层中硅的质量占比为83%-90%，所述硅-石墨烯涂层中石墨烯的质量占比为8%-12%。

本发明的发明人经过大量的实验发现，在集流体上形成硅-石墨烯涂层，且硅-石墨烯涂层的孔隙率为27%-33%而得到的负极极片在应用到锂离子电池时，锂离子可以实现快速充电且在该锂离子电池充放电循环中硅体积膨胀较小。即本发明提供的负极极片，其负极活性材料的孔隙率为27%-33%，不仅为锂离子在负极中的扩散提供了路径，加快锂离子的脱嵌而实现电池的快速充电，而且还为电池循环中由于锂离子的嵌入与脱出造成硅体积的变化提供了空间，改善了硅层破裂、粉化的问题，提高了电池的安全性能和循环性能；而且高的孔隙率还增加了涂层材料的比表面积，增加了锂离子嵌入负极的量，从而在满足高电池容量要求的前提下，可将极片做薄，薄的负极片又可缩短锂离子的扩散路径，有利于锂离子的嵌入而实现电池的快速充电。此外，硅层表面的石墨烯有着良好的柔韧性，也缓冲了硅体积变化较大的问题；而且与电解液直接接触的是石墨烯层，使得SEI膜主要在石墨烯表面生成，从而避免了硅层粉化重新形成SEI膜造成的电解液的消耗；不仅如此，石墨烯良好的导电能力可加快锂离子在涂层材料中的扩散，有利于电池容量的发挥与快速充电。

本发明第二方面，提供了上述负极极片的制备方法，包括如下步骤：

（1）硅层浆料的制备：将硅、纳米二氧化硅、导电剂、粘结剂按质量比为（85%-91%）：（8%-10%）：（0.5%-2.5%）：（0.5%-2.5%）混匀后，分散到有机溶剂中获得硅层浆料；