[发明专利]锂离子电池硅基复合负极极片、制备方法及其锂离子电池

说明书

本发明属于锂离子电池制备领域，具体的说是锂离子电池硅基复合负极极片、制备方法及其锂离子电池。其极片呈现层状结构，内层为集流体及其沉积在表面的硅材料，中间层为硅烷偶联剂，外层为有机锂化合物。其制备过程为：首先通过磁控溅射法将硅基材料沉积在铜箔集流体上，之后依次喷涂硅烷偶联剂、锂盐化合物，最后制备出硅基复合负极极片。其制备出的复合极片利用致密度高硅，有机锂化合物锂离子导电率高的特性，及其硅烷偶联剂、硅材料、有机锂化合物之间高的粘附力特性降低其充放电过程中硅的膨胀率，提高其循环性能；其制备出的锂离子电池极片应用于锂离子电池具有首次效率高、能量密度大、倍率性能佳及其循环性能高等特性。

技术领域

本发明属于锂离子电池制备领域，具体地说是一种锂离子电池硅基复合负极极片、制备方法及其锂离子电池。

背景技术

随着市场对高比能量密度要求的提高，以提高电动汽车的续航里程，而负极材料是组成锂离子电池的关键材料，其性能的优劣对锂离子电池的能量密度、循环寿命及其安全性能产生重要影响。目前市场上所用负极材料主要以石墨为主，其比容量已接近理论容量372mAh/g，难以有大幅度的提高。而硅材料则以克容量高、价格低廉及其材料来源广泛等优点而成为目前研究的热点，并在不久的将来替代石墨成为负极材料的主流材料。但是硅材料（包括纳米硅、氧化亚硅）由于膨胀系数大，造成其充放电过程中极片的膨胀率高，并造成活性物质与集流体分离，造成其循环性能下降较快，虽然研究者通过材料包覆等手段降低材料的膨胀率，但是效果不明显，比如专利（CN 104037396 A）公开了硅-碳多元复合负极材料及其制备方法，其制备方法为先通过高温热解法制得膨胀石墨/硅-二氧化硅/碳复合负极材料，再倒入模具中施压得到柔性石墨/硅-二氧化硅/碳复合负极材料；再利用腐蚀液刻蚀处理二氧化硅得到柔性石墨/硅/碳复合负极材料，最后在保护性气氛中使用沥青渗透到柔性石墨/硅/碳复合负极材料的空隙内部，再高温热处理，制备而成，但是制备成极片后，膨胀率仍然偏高，尤其是大倍率循环性能偏差。而虽然通过化学沉积法在集流体上沉积硅单质或化合物，虽然循环性能得到改善，但是其在大倍率条件下，硅活性物质与集流体之间容易分离，造成其循环性能偏差。因此开发出一种在大倍率条件下循环性能优异的硅碳复合负极极片显得非常必要，并应用于高比能量密度锂离子电池。

发明内容

针对目前硅碳负极极片存在的高倍率循环性能差等方面的不足，本发明的目的是通过磁控溅射法在集流体表面沉积硅物质，之后在其外层喷涂一层有机锂化合物及其夹在层之间的硅烷偶联剂复合层，并制备出硅碳复合负极极片，并应用于锂离子电池。

一种锂离子电池硅基复合负极极片，其特征在于，所述的复合负极极片呈现层状结构，内层为铜箔集流体及其沉积在表面的硅材料，中间层为硅烷偶联剂复合层，外层为有机锂化合物复合层，其厚度为：内层：中间层：外层=（10～15）：（2～10）：（5～15）。

所述的硅材料的沉积采用磁控溅射法将硅单质或化合物进行沉积，其沉积厚度为（1～5）μm。

所述的硅化合物材料为SiB₄、SiB₆、Mg₂Si、SiB₄、Ni₂Si、TiSi₂、MoSi₂、CoSi_2、、NiSi₂、、CaSi₂、CrSi₂、Cu₅Si、FeSi₂、MnSi₂、NbSi₂、TaSi、VSi₂、WSi₂、ZnSi₂、SiC、Si₃N₄中的一种。

所述的硅烷偶联剂复合层是由（60～80）%硅烷偶联剂和（20～40）%碳纳米网组成。