[发明专利]一种高容量金属锂粉复合负极及制备方法和多层复合电极

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电源领域，尤其涉及一种高容量的锂金属粉末和石墨、硬碳、硅、锡等材料的复合负极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池在移动电话、笔记本电脑、便携式电子产品等领域已得到广泛的应用，并且在电动工具、电动车等领域将有广泛的应用前景。电动工具和电动汽车领域要求动力型电池具有更高的能量密度、更低的成本和更高的安全性。

如何提高电池的充放电性能，满足市场要求，是摆在电池工作者面前的热点问题。为此，电池工作者在电池的结构设计、正负极组成、电池生产工艺等方面进行了不断的探索。其中正负极的电化学性能显著影响着电池的综合性能。目前传统意义上的锂离子电池主要是以碳素材料作为负极，钴酸锂、磷酸铁锂等材料作为正极，其性能越来越不能满足上述发展的要求。因此，高容量的正负极材料或者高容量电池体系如锂硫电池等的研究与开发，已成为人们关注的焦点。其中常规的石墨负极能量密度较低仅为372mAh/g，是制约锂二次电池能量密度的提高重要因素之一。此外，传统的石墨负极材料与锂硫电池高容量正极不能良好的匹配，影响了正极容量的发挥。因此，提高负极容量是提高锂离子电池能量密度或发挥锂硫电池容量的有效途径。

金属锂是金属中原子量最小(6.94)，标准电极电位最富的金属(-3.045V)，其理论比容量高达3860mAh/g，是一种能量密度非常高的负极材料，但是由于其化学稳定性较差和循环过程中极易形成枝晶，容易刺穿隔膜，引发电池安全问题，还不能满足作为电池负极材料的实际需要。通常是通过电解液中添加有机添加剂如VC等或者无机添加剂如CO₂、Al₂O₃等来改善枝晶的问题(参见Kanamura K，Okagawa T，Takehara z.J.Power Sources，1995，57：119-123)或者在其表面进行包覆改性来提高金属锂负极的循环性能和安全性能。

一些研究表明，金属锂负极粉末化后(可参见Kwon C W，Cheon S E，Song J M.et.al，J.Power Sources，2001，93：145-150；以及Park M S，Yoon WY.J.Power Sources，2003，114：237-243)，负极界面阻抗增加得到显著缓解，说明金属锂粉末负极的循环性能和安全性能较好。然而，粉末化仅提高了金属锂负极的质量比容量，其体积比容量却非常低，其次由于颗粒间接触疏松，接触电阻较大，而且在反复充放电过程中，金属锂粉颗粒逐渐长大，失去了粉末化的优势。清华大学孙颢等人公开的“锂离子电池用硬碳-锂金属复合负极材料的制备方法(申请号：200610089725.8)”。但是，该专利是将极少量的锂粉掺杂到硬碳负极材料中或将锂箔压到硬碳负极片上，以补偿不可逆容量损失，提高电池首次效率。

与本发明公开的一种采用锂金属粉末和石墨、软碳、硬碳、硅、锡等其中的一种或几种制备的高容量复合负极及其制备技术不同。本发明公开的金属锂粉复合负极技术是将金属锂粉作为负极活性物质，在循环过程中发挥容量。通过和石墨、软碳、硬碳、硅、锡等材料的复合不仅能有效的提高石墨、软碳、硬碳、硅、锡负极材料的质量比能量同时提高金属锂粉末的体积比能量，从而得到高质量比和体积比能量负极，而且，金属锂粉末能有效的补偿碳负极、硅负极等材料在首次充放电过程中的不可逆容量损失，提高材料首次效率，此外，通过多层电极制备技术能够有效防止反复充放电过程中锂金属粉末形成的锂枝晶刺穿隔膜造成电池短路的问题。本发明所述负极不仅适用于传统的锂离子电池领域，提高电池容量减小负极材料用量，而且可作为下一代高容量锂硫电池的负极。

发明内容

本发明提供了一种适用于锂离子电池、锂硫电池的高能量密度的复合负极及其制备方法。通过将金属锂粉末与石墨、软碳、硬碳、硅及其氧化物、锡及其氧化物等材料混合制备复合负极，从而提高负极的比容量。并且在一定范围内通过调整锂金属粉末与碳、锡、硅等负极材料的比例可调节负极的比容量以适应正极的需要。此外还通过在电极表面涂覆绝缘保护层，更进一步防止锂枝晶刺穿隔膜造成内短路，提高电池的安全性能。本发明还提供了金属锂粉复合负极的应用条件，由于极片组装压力和电池内压对锂枝晶的生长有很大的影响，通过增加电极组装压力和增加电池内压能够有效的抑制锂枝晶的生长，因此利用金属锂粉复合负极组装电池的压力和电池内压相对传统锂离子电池较大。

一种高容量金属锂粉复合负极，其重量份组成为：

金属锂粉        1～80份；