[发明专利]一种降低锂离子电池负极材料首次充电不可逆容量损失的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低锂离子电池负极材料首次充电不可逆容量方法，特别涉及一种采用电化学沉积改性负极极片来降低锂离子电池首次充电不可逆容量损失的方法。

背景技术

随着社会的不断发展，能源已经成为现代经济发展的命脉。随着不可再生能源的不断消耗，人类对可再生能源需求越来越大。锂离子电池可循环充放电、高比容量、长循环寿命的特点，受到越来越多的重视。

目前商品化锂离子电池一般采用能够可逆嵌脱锂离子的石墨或无定形炭作为负极材料。在锂离子电池首次充放电过程中，有机电解液会在碳负极表面发生还原、分解，形成一层电子绝缘、锂离子可导的钝化层(solid electrolyte intephase，简称SEI)，从而导致了电池首次充放电过程中，存在巨大的不可逆容量（往往超过20%）。

由于锂离子的嵌入必然经由覆盖在碳负极上的SEI膜，因此SEI膜的特性包括它的电阻、阻止电解液进一步反应的能力、锂离子嵌入或电荷传递过程中的调整能力、以及一定的锂离子扩散能力等决定了锂离子嵌脱过程的动力学以及碳负极/电解液界面的稳定特性，从而决定了整个电池的性能，如循环寿命、自放电、额定速率以及电池的低温性能等。优良的SEI膜具有机溶剂不溶性，允许锂离子自由地进出电极而溶剂分子无法穿越，能够有效阻止有机电解液和碳负极的进一步反应以及溶剂分子共插对电极的破坏，提高了电池的循环效率和可逆容量等性能。

尽管SEI膜对电池有着不可或缺的作用，但其也是影响电池性能的重要因素。首先，SEI膜的形成会导致锂离子电池的不可逆容量损失，进而影响电池的能量密度。其次，如果形成的SEI膜不够均匀或致密，在电池循环过程中将影响电池的循环寿命和安全性能。因此，减少锂离子电池不可逆容量的损失，增强其安全性能和延长其循环寿命成为我们研究的重要内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低锂离子电池负极材料首次充电不可逆容量方法，从锂离子电池充放电过程及SEI膜的形成机理着手，电池装配前，首先在负极表面首先形成一层均匀、致密的聚合物包覆层。此聚合物层可以阻止电解液与负极表面的直接接触，部分起到SEI膜的作用，由此来降低锂离子电池负极材料首次充电不可逆容量的损失，从而达到提高电池循环效率和可逆容量的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种降低锂离子电池负极材料首次充电不可逆容量损失的方法，采用电化学沉积的方法在负极极片表面形成一层0.01~10μm的聚合物包覆层，阻止电解液与负极表面的直接接触，包括如下步骤：

1）将碳负极材料：导电剂：粘结剂按质量比 85：10：5擀制极片，并压在铜网上作为负极极片；

2）配置电解液：配置一定浓度的聚合物单体与硫酸或氢氧化钠的混合溶液，通入惰性气体，并在磁力搅拌下均匀溶解；

3）循环伏安电沉积反应：将步骤1）所得到的极片作工作电极，铂片电极作对电极，饱和甘汞电极作参比电极，步骤2）所配溶液作为电解液，电压范围为-0.2V~1.5V，扫描速率为1~100mV/s，扫描段数为2~100段，在极片表面电沉积一层聚合物薄膜；

4）将制得的聚合物薄膜包覆的复合电极用去离子水冲洗，然后用乙醇或丙酮洗涤3~5次，45~100℃真空干燥，即得聚合物薄膜包覆的复合电极。

上述步骤1）中的导电剂为碳黑（Super P），粘结剂为聚四氟乙烯（PTFE）。

上述步骤2）中的聚合物单体为苯胺、苯酚、对二苯酚、对羟基苯磺酸钠中的一种。

上述步骤2）中聚合物单体为苯胺时，采用硫酸的水溶液；聚合物单体为苯酚、对二苯酚、对羟基苯磺酸钠时，采用氢氧化钠的甲醇溶液。

上述步骤2）中硫酸或氢氧化钠溶液的浓度为0.1~2.0 mol/L，聚合物单体的浓度为0.05~3.0 mol/L。

上述步骤2）中的惰性气体为氮气、氩气中的一种或其混合物。

与现有技术相比，本发明的方法具有以下优点：

1. 从锂离子电池充放电过程及SEI膜的形成机理着手，防止电解液与负极表面的直接接触，在负极表面首先形成一层类似SEI膜的聚合物层，减少电池首次不可逆容量的损失。

2. 制备工艺简单，对电池负极片进行简单的电沉积包覆改性即可实现，对电极本身无特殊的要求。

3. 聚合物层的厚度均匀可控，可通过调节电化学沉积的时间、电解液浓度、扫描速率控制包覆层的厚度及致密性。