[发明专利]多层硅负极材料及其制备方法与锂离子电池

说明书

本发明公开了一种多层硅负极材料及其制备方法与锂离子电池，属于锂电池技术领域。它包括金属箔，依次附着在金属箔表面的负极主体功能层、导电涂层和自修复纳米层，还包括位于金属箔与负极主体功能层之间的纳米级粘结层，且负极主体功能层分为上下两层，导电涂层填充在下负极主体功能层与上负极主体功能层之间，下负极主体功能层的上下两端面分别连接导电涂层和纳米级粘结层，上负极主体功能层的上下两端面分别连接自修复纳米层和导电涂层。本发明设计的多层硅负极材料解决了电极材料主体之间粘接性差的问题，同时，利用自修复纳米胶层的三维交联结构，能够有效解决硅碳负极使用过程中体积膨胀变化的问题。

技术领域

本发明涉及硅负极材料，属于锂离子电池技术领域，具体地涉及一种多层硅负极材料及其制备方法与锂离子电池。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。硅材料在锂离子电池中的应用，主要涉及2个方面：在负极材料中加入纳米硅，形成硅碳负极(提高锂离子电池的容量)，或者在电解液中加入有机硅化合物，改善电解液的性质。

硅负极材料的缺点也相当明显，主要有两大缺点：

①硅在锂离子嵌入脱嵌过程中，会引起Si体积膨胀100％～300％，在材料内部产生较大的内应力，对材料结构造成破坏，电极材料在铜箔上脱落，同时硅表面的SEI膜不断重复形成-破裂-形成，共同降低了电极的导电性和循环稳定性；

②硅为半导体，导电性比石墨差很多，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，进一步降低了其首次库伦效率。因而，必须解决硅在充放电过程中产生的体积膨胀和首次充放电效率低的问题。

为了降低硅负极的体积膨胀，人们开发了SiO_x材料，相比于纯Si材料，其体积膨胀明显降低，其与C复合材料是一种性能较好的硅负极材料，也是目前实际应用较多的一种硅材料，但是该材料在实际使用中仍然存在硅负极失效的问题，研究发现失效与Li⁺嵌入速度和电解液种类，更为关键的是与Si负极的微观结构有密切的关系。

中国发明专利申请(申请公布号：CN108511685A，申请公布日：2018-09-07)公开了一种含有导电涂层的锂离子电池负极片及其制备方法；该负极片包括铜箔集流体、导电涂层和负极活性物质层，负极活性物质层由负极浆料固化而成，负极浆料包括以下物质：93～95份的石墨，1.5～2.5份的导电炭黑SP，1～2份的羧甲基纤维素钠，2～3份的丁苯橡胶，130～150份的去离子水；导电涂层由导电浆料固化而成，导电浆料包括以下物质：复合碳源10～95份，粘结剂5～50份，分散剂5～40份，有机溶剂450～550份。本发明通过在集流体上涂覆一层特殊的导电浆料，其比表面积大，阻抗小，可大幅提高极片粘结力，增强导电性，并减少粘结剂和导电剂添加量，提高电池的能量密度。然而该申请的设计忽略了电极材料主体之间的粘接性。

中国发明专利申请(申请公布号：CN109216654 A，申请公布日：2019-01-15)公开了一种多层负极极片及其制备方法和应用的锂离子电池，其中，该多层负极极片，包括金属箔集流体，所述金属箔集流体的表面涂布有导电涂层；所述导电涂层的表面涂布有主体功能层；所述主体功能层的表面涂布有石墨层。此外，本发明还公开了一种多层负极极片的制备方法及其制备的锂离子电池。本发明公开的一种多层负极极片及其制备方法和应用的锂离子电池，该多层负极极片具有的充电效率高、低温充放电能力强，能显著提高锂离子电池的大倍率充放电性能，延长大倍率充放电下极片寿命，有利于提高电池生产厂家产品的市场应用前景，具有重大的生产实践意义。然而，该申请的设计忽略了电极主体材料体积变化粘接性能变差，材料粉化问题。

发明内容