[发明专利]一种高能量密度锂离子电池硅基负极片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高能量密度锂离子电池硅基负极片，包括有集流体、涂覆于集流体表面的内部涂层、涂覆于内部涂层表面的中部涂层和涂覆于中部涂层表面的外部涂层；内部涂层和中部涂层均包括有氧化亚硅和单颗粒石墨，内部涂层中氧化亚硅和单颗粒石墨的质量比为15‑30：70‑85，中部涂层中氧化亚硅和单颗粒石墨的质量比为88‑95：5‑12，外部涂层为单颗粒石墨层。本发明制得的硅基负极片中硅材料含量高，大幅度降低了负极片的重量，有效的减缓负极片的膨胀，使得制备的锂离子电池兼顾了良好的能量密度和电性能，循环前后硅基负极片的膨胀率和锂离子电池的膨胀率明显低于常规的单层和双层结构的负极片。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是一种高能量密度锂离子电池硅基负极片及其制备方法。

背景技术

目前，基于石墨的负极材料仍然是锂离子电池中所使用的主流负极材料，其372mAh/g理论克容量使得其对提升锂离子电池的能量密度严重受限，目前较为优秀的人造石墨，其实际克容量发挥也仅有340～355mAh/g，发展潜力已经达到瓶颈，已经无法应对锂离子电池对小体积、高能量密度的需求。

在诸多的负极材料中，硅基负极具有极高的储锂容量(纯硅理论4200mAh/g)和丰富的资源，氧化亚硅的克容量也能达到1400～1500mAh/g的高容量，是替代石墨作为下一代锂离子电池负极最具竞争力的材料。然而，硅基负极的较高膨胀收缩系数使得其在脱嵌锂循环过程中不断粉化，使得硅基负极材料的整体结构遭到破坏，不断消耗活性锂，循环性能衰减较快，这限制了其大规模的应用。此外，由于硅基材料的膨胀/收缩，在循环过程中导致其涂覆区与集流体接触面很容易脱离，增大了料区和集流体之间的接触间隙，使得料区逐渐失去电接触，电池内阻大幅度增加，加快电池循环衰减，因此这对电极结构的循环稳定性提出了巨大的挑战。

因此，传统的单层极片结构设计已经不能满足需求，对此，大量研究人员针对硅基负极的极片结构设计做了大量工作，其中主要就包括多层结构设计来降低硅基负极的膨胀，专利CN 112968148 A报道了一种锂离子电池负极片和锂离子电池，该锂离子电池负极片包括第一负极活性材料层和第二负极活性材料层，第一层为碳材料类，第二层为硅材料类，第一负极活性材料层构建的锂离子电池的直流电阻小于采用第二负极活性材料层构建的锂离子电池的直流电阻，通过这样的结构设计能提高硅基材料的性能，但其底层使用的是几乎纯碳负极，对提升能量密度有限，且无法解决上层硅的膨胀问题，且需要使用激光打孔，操作难度大，不易实现产业化；专利CN 114678490 A报道了一种锂离子电池负极片，包含两层结构，底层石墨缓冲层和上层硅碳层，获得优异首次效率及涂布粘附力的锂离子电池负极片，但是硅材料在电极结构中的膨胀问题仍然未得到解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高能量密度锂离子电池硅基负极片及其制备方法，该硅基负极片中硅材料含量高，大幅度降低了负极片的重量，有效的减缓负极片的膨胀，使得制备的锂离子电池兼顾了良好的能量密度和电性能，循环前后硅基负极片的膨胀率和锂离子电池的膨胀率明显低于常规的单层和双层结构的负极片。

本发明的技术方案为：

一种高能量密度锂离子电池硅基负极片，包括有集流体、涂覆于集流体表面的内部涂层、涂覆于内部涂层表面的中部涂层和涂覆于中部涂层表面的外部涂层；内部涂层和中部涂层均包括有氧化亚硅和单颗粒石墨，内部涂层中氧化亚硅和单颗粒石墨的质量比为15-30：70-85，中部涂层中氧化亚硅和单颗粒石墨的质量比为88-95：5-12，外部涂层为单颗粒石墨层。

所述的单颗粒石墨的粒径D50为5-7μm；所述的集流体的双面均涂覆有内部涂层，每层内部涂层的表面均涂覆有中部涂层，每层中部涂层的表面均涂覆有外部涂层；所述的内部涂层的双面总面密度为25-35g/m²，所述的中部涂层的双面总面密度为65-75g/m²，所述的外部涂层的双面总面密度为15-23g/m²。