[发明专利]一种多孔负极极片及其制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种多孔负极极片及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池技术经过二十多年的发展，现行主流的负极材料——石墨的实际容量(约350~360mAh/g)已接近其理论容量（372mAh/g），容量提升的空间很有限。而智能手机等新兴电子产品的出现，使得传统的锂离子电池已经不能满足这些电子产品的备电需求，人类急需开发具有更高比能量的备电电池产品来满足人类使用智能手机畅游网络的梦想。

Si、Sn、Al、Sb、Ge、Zn、Pb、Mg、Na等材料由于具有比石墨材料更高的比容量（Si负极的理论容量高达4200mAh/g,是石墨的10倍）而成为下一代锂离子电池负极活性材料的首选，然而他们会由于嵌入锂离子而发生巨大的体积膨胀效应（充电时硅材料的体积膨胀率超过300%），必须克服或减缓这种体积膨胀效应才能够使这些具有高比容量的电极材料得到真正的应用。

为了减缓这些材料的体积膨胀效应，提高电池的循环稳定性，业界将材料制备成纳米线、纳米管、纳米纤维、纳米阵列等纳米形态，以减少材料嵌入锂离子时发生的绝对体积膨胀效应；但是这些措施都是在平面集流体基底上直接生长出活性材料，该活性物质生长的长度比较有限，且呈现出细长型的形貌，容易在电池制备过程中发生活性物质的断裂，增加了电池制作工艺的难度；另外在电池循环使用过程中，由于纳米线等材料嵌入锂离子而发生的纵向膨胀，会导致封装在电池内部的纳米线会因膨胀而受到挤压，进而发生断裂，影响电池的容量发挥和循环使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种多孔负极极片，用以解决现有技术中由于活性物质的体积膨胀效应而导致电池结构破坏的问题。本发明实施例第二方面提供了所述多孔负极极片的制备方法。本发明实施例第三方面提供了包含所述多孔负极极片的锂离子电池。

第一方面，本发明实施例提供了一种多孔负极极片，所述多孔负极极片包括多孔集流体和沉积在所述多孔集流体孔洞中的活性物质，所述活性物质为Si、Sn、Al、Sb、Ge、Zn、Pb、Mg和Na中的一种或几种，所述孔洞为贯通型孔洞，所述活性物质沉积在所述孔洞的内壁上。

与现有技术相比较，本发明实施例提供的一种多孔负极极片，采用高比容量材料Si、Sn、Al、Sb、Ge、Zn、Pb、Mg和Na中的一种或几种作为活性物质，且该活性物质沉积在所述多孔集流体孔洞中。这样，一方面，由于这些活性物质具有比石墨材料更高的比容量（如Si负极的理论容量高达4200mAh/g，是石墨的10倍），因此能使整个锂离子电池体系容量提高；另一方面，由于活性物质沉积在所述多孔集流体孔洞中，当这些活性物质由于嵌入锂离子而发生巨大的体积膨胀效应时，孔洞内壁将有效降低这种膨胀效应，从而可保护电池结构不被破坏；另外，由于这些活性物质不是在平面集流体基底上直接生长出，而是以孔洞内壁为基底，以不同长度、不规则形貌生长在孔洞中，因此，在后续电池制备过程中活性物质不容易在操作中被破坏，从而降低了电池制作工艺的难度。

当所述活性物质为两种或两种以上时，其质量比例不限。

所述多孔集流体可以为多孔泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、不锈钢网、镍网、铜网或铝网。所述多孔集流体的厚度可以根据实际需要进行选择。优选地，所述多孔集流体的厚度为30~200μm。

所述多孔孔洞的间距可以根据实际需要进行设定。优选地，所述多孔孔洞间距为0.2~2mm。

为了取得更佳的电池性能，所述多孔负极极片还包括设置在所述多孔集流体表面的保护涂层，所述保护涂层的材料包括高分子聚合物。

优选地，所述高分子聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚丙烯腈（PAN）、聚四氟乙烯（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、丁苯橡胶（SBR）和水溶性人造橡胶（WSB）中的一种或多种。

进一步地，所述保护涂层的材料包括陶瓷粉体。优选地，所述陶瓷粉体为SiO₂、Al₂O₃、TiO₂和AlF₃中的一种或多种。

优选地，所述保护涂层的厚度为2~30μm。

优选地，所述保护涂层中，陶瓷粉体的质量分数为0~50%。