[发明专利]一种含硅锂负极、其制备方法及包含该负极的锂硫电池

说明书

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，具体地，涉及一种含硅锂负极的制备方法及包含该负极的锂硫电池。

背景技术

锂硫电池是近年来倍受关注和投入较多研究的高能量密度二次绿色化学电源。以单质硫为正极的锂硫电池电化学反应如下：S₈+Li?Li₂S_x(1≤x≤8)?Li₂S。按照最终还原反应产物Li₂S计算，单质硫的理论比容量是1672mAh/g，金属锂具有理论比容量3860mAh/g，Li/S氧化还原对的理论能量密度高达2600Wh/kg。锂硫电池具有高能量密度的特点，在下一代动力电池中具有广泛应用的潜力。

传统的锂硫电池一般采用金属锂箔作为负极，但是锂负极在充放电循环过程中不断的溶解、沉积，易产生枝晶、“死锂”，造成电池循环性能下降，严重时枝晶会刺穿隔膜与正极接触导致内部短路，具有发生起火或爆炸的安全隐患。

锂离子电池中，含硅负极材料具有克比容量高的优点。同时硅材料电化学完全储锂合金化后如果在电极孔洞、表面继续过量沉积锂，可以弥补替换金属锂电极造成的容量损失，减轻负极重量。硅还能在电池充电过程中起到机械骨架的作用，分散锂原子，抑制金属锂在负极/电解质界面富集并产生锂枝晶；而适当过量的锂有助于保护硅，使得硅处于浅脱锂状态，减小体积变化，维持负极结构稳定。

但是硅负极本身不含“锂源”，无法提供锂硫电池电化学反应必须提供的锂离子，无法与硫组成一个电化学体系。因此需要对含硅材料进行预储锂或者过量沉积锂。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂硫电池用含硅锂负极的制备方法，通过使用含硅材料为载体，通过电化学方法既可以将其完全储满锂作为负极使用，也可以在储锂后进一步在其表面电化学过量沉积锂再作为负极使用。该负极减少了电极中金属锂的用量，提高了锂电极的表面积，在一定程度上提高锂硫电池的循环性能和安全性。

为实现以上目的，本发明提供了一种含硅锂负极的制备方法，该方法包含以下具体步骤：

    步骤1，制备预储锂的含硅负极片：将含硅负极材料与导电剂、粘结剂混合涂布在集流体上，该集流体选择铜箔，干燥，制备含硅材料极片；以该含硅材料极片为正极，金属锂片为负极，组装电池，在0.01V~2V之间以10~1000mA/g电流密度进行放电-充电循环，使含硅材料容量达到稳定后继续放电至0.01V，使得锂离子均匀储存到硅材料中，完成预储锂步骤，得到电化学预储锂的含硅锂负极片；

    步骤2，制备过量沉积金属锂的含硅负极片：将上述放电至0.01V完成储锂步骤的电池，以10~1000mA/g电流密度继续放电，在含硅锂负极片表面电化学过量沉积金属锂，至过量沉积的金属锂容量为含硅材料稳定储锂容量的0~2倍，得到电化学过量沉积锂的含硅锂负极片。

上述的含硅锂负极的制备方法，其中，所述含硅负极材料选择具有电化学储锂活性的硅/碳复合材料、硅/碳/金属复合材料、硅基氧化物复合材料中的任意一种以上。

本发明还提供了一种包含根据上述的方法制得的含硅锂负极，其中，该含硅锂负极是以铜箔作为集流体，含硅负极材料作为载体，在载体内部储满锂离子或者储满锂后再在载体表面过量沉积金属锂。

本发明还提供了一种包含上述的方法制得的含硅锂负极的锂硫电池，其中，该电池包含所述的含硅锂负极、含硫材料正极、电解液、隔膜、外壳。

上述的锂硫电池，其中，所述的含硫材料选择单质硫、硫/碳复合材料、硫化聚合物、有机多硫化物中的任意一种以上。

本发明所提出的新型含硅锂负极，是用高容量的锂离子电池含硅材料负极为载体进行电化学预储/沉积锂，电化学沉积锂的量可按照需求灵活控制，可调节范围大。同时含硅材料电极呈多孔状态，以其为载体，在其表面电化学沉积的锂金属的比表面积较大，在相同的电流下可以降低电极的电流密度，降低枝晶形成的概率；以其替代常规的金属锂箔负极，减少金属锂用量，电池循环性能和安全性能都有较大改善。

附图说明

图1为本发明的含硅锂负极制备过程示意图，第一步为硅材料储锂过程，当储锂完成时进行第二步，即过量沉积金属锂。

图2为本发明实施例2的含硅材料负极储锂及过量沉积金属锂曲线。

图3为本发明实施例5中含硅锂负极电池的初期充放电曲线。

图4为本发明实施例5中含硅锂负极电池（a）与本发明实施例7金属锂片负极电池（b）循环性能对比。

具体实施方式