[发明专利]一种锂化硅基负极极片及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锂化硅基负极极片及其制备方法和应用，所述预锂化硅基负极极片包括集流体、硅基活性物质层和预锂化层，所述硅基活性物质层设置于所述集流体和所述预锂化层之间，所述硅基活性物质层与预锂化层接触一侧设置有微孔，本发明所述预锂化硅基负极极片，可以在保证负极发挥高比容量的同时改善了电池负极的首次库伦效率，而且还改善了电池的电化学性能，所述预锂化硅氧负极片制成锂离子电池后，可以有效减少电解液和电池中有效Li的消耗，还可以减少生产锂离子电池所需的电解液注液量以及锂电池产品工作时气体的生成，进而简化锂离子电池生产工艺流程和化成流程，并解决常规锂电池中SEI形成不稳定的问题。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及一种锂化硅基负极极片及其制备方法和应用。

背景技术

目前消费市场对电动车的续航要求和快充需求越来越迫切，使得动力电池的研发越来越向高能量密度、快充方向发展。但是动力电池的高能量密度和快充往往难以兼顾，一方面高能量密度要求的厚电极对快充是致命的，另一方面通过降低面密度和压实密度实现的快充型电池能量密度往往较低，这并不为电动汽车消费市场所接受。目前使用的石墨负极比容量已经发挥到极限，如果将目前负极材料由单纯的石墨转变为硅基材料与石墨的复合将会进一步提升电池的能量密度，但是这类电极的首次效率偏低，会抵消高容量带来的能量密度提升。

负极材料从石墨向硅基材料的转变可以明显提升动力电池的能量密度。然而，由于纯的硅碳材料充放电过程存在严重体积效应，电池的循环寿命急剧衰减。目前产业界更倾向于使用硅氧材料作为动力电池的负极材料。但氧化亚硅材料作为电池负极材料也存在本征的缺陷，主要是由于材料中存在大量的O元素，在化成过程中由于形成SEI膜和锂硅酸盐/锂氧化物类的物质消耗了大量Li源，导致此类材料的首次效率偏低。如何提高此类材料的首效成为目前产业界和学术界研究的热点。其中，预锂化是一个提升硅氧负极首次库伦效率的有效手段。预锂化是将外源锂以合适的方式和形态引入电池体系，用以改善由于硅氧负极对有效锂的消耗导致的首次库伦效率降低。目前预锂化主要分为正极预锂化和负极预锂化，其中负极预锂化研究较多且技术相对成熟。负极预锂化根据预锂化方式又分为直接添加外源锂、活性添加剂预锂化、电化学预锂化和化学预锂化。其中以锂金属作为锂源进行直接接触预锂化由于操作简单、技术成熟度高且副反应少成为目前电池企业重点的研发方向，此类预锂化技术是最接近商业化的预锂化技术。金属锂直接接触预锂化通常是将锂金属作为锂源直接施加到负极活性层完成预锂化，目前这类预锂化工艺的锂源主要分为锂箔(或锂带)和锂粉，其中锂带补锂虽然较为成熟但是对设备和环境要求高阻碍了这一预锂化技术的商业化应用，惰性锂粉作为锂源进行的预锂化可以非常精确地控制锂粉的添加量从而增加了锂粉的利用率且避免了由于过多添加锂粉导致的析锂风险，然而由于锂粉的化学活泼性和质量轻的特点使得采用将干的锂粉撒在负极表面的施加方式容易带来喷撒不均匀且容易产生安全问题，而将惰性锂粉制成锂粉浆料采用湿法涂覆的方式可以解决上述问题，本发明通过将惰性锂粉与粘结剂、导电剂和填料制成锂粉浆料，通过一定的涂覆手段将富锂的预锂化层涂覆在硅基负极表面完成硅基负极片的预锂化。

然而针对较厚的硅基负极片，采用直接在负极片表面涂覆一层预锂化层还会出现诸如预锂化反应时间长、在厚度方向上靠近硅基负极片表面的负极活性物质预锂化程度高而远离表面的活性物质预锂化程度低，整个极片不均一的预锂化导致极片应力不均容易导致厚的硅基负极片的结构发生破坏影响电池的循环性能，另外针对高面密度和高压实的电极锂离子嵌入和脱出的路径较长导致锂离子嵌入和脱出动力学较差，其结果是倍率性能很差。

CN108321368A公开了一种聚合物包覆硅/偏硅酸锂负极材料，其将氧化亚硅与金属锂粉高能机械球磨，制备硅/偏硅酸锂复合材料，然后采用碳素材料包覆，制备硅氧化物/碳复合负极材料，结果显示，所制备材料容量效率相较于一般的硅氧化物负极材料要高，但是这种方法制备工艺严苛，附着在表面的金属锂粉很容易自燃，而且采用机械球磨产生的热量不能满足氧化亚硅歧化所需热量，从而使制备的材料各方面性能不一。