[发明专利]锂离子电池用负极片及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于锂离子电池的一体化负极片，该一体化负极片由负极材料和金属粉压制而成，所述金属粉为不与金属锂形成合金的金属粉。本发明提供了一种上述一体化负极片的制备方法以及含有上述一体化负极片的锂离子电池。本发明的一体化电池负极片具有良好的综合性能，极片导电性能好，电池单位体积或单位质量的比能量密度高于普通锂离子电池。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用负极片及其制备方法。

背景技术

锂离子电池的负极材料主要有碳材料、硅材料、氮锂化合物（锂过渡金属氮化物）、金属氧化物、金属间化合物和导电有机聚合物。目前商业上用得较多的是石墨化碳材料。此类材料导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构，适合锂的嵌入-脱嵌，形成锂-石墨层间化合物。但此类材料充放电比容量不高，一般在300～400 mAh/g之间。寻找高比容量的非碳负极材料是当前锂离子电池材料研究的热点。其中单质硅是最具实用前景的材料。硅和锂生成Li_4.4Si，其理论放电比容量可达4200 mAh/g。但是，充放电过程中锂离子的嵌入与脱嵌引起材料体积剧烈地膨胀与收缩（充电时锂离子嵌入引起硅材料体积膨胀，可达300%以上），造成硅材料结构破坏及粉化，导致材料之间、材料与导电剂之间及材料与集流体之间的脱离，电子导电性降低，最终致使电池的容量急剧降低。此外，硅材料还存在锂离子扩散系数较小和电导率不高等问题。

许多研究者曾提出各种解决方法，其主要思路是将硅制成纳米颗粒或者制备成多孔硅，如纳米硅晶体、纳米硅纤维、纳米硅管、介孔或多孔纳米硅等。多孔纳米硅材料具有锂离子扩散路径短、机械可塑性强、电解质溶液润湿性好等优点，可以有效地提高硅材料嵌锂-脱锂的容量和可逆性，并且在一定程度上提高材料的机械强度，能够容忍由于锂离子的嵌入与脱嵌引起的体积变化，延缓材料结构的垮塌等优点。然而，硅的电子电导性能不佳，纳米多孔结构并不能提高硅材料的电导率；此外，多孔纳米硅材料具有较大的比表面积，材料表面与电解液反应形成钝化层(SEI膜)，该层虽可传递电子和锂离子，但会消耗较多活性锂，引起初始容量的不可逆损失（首次充放电效率低）。硅合金以及硅碳复合材料是硅基材料实用化的发展方向。在硅材料中引入不与Li反应的惰性金属或者碳材料作为导电剂与结构支撑骨架可以有效地提升硅材料的电子电导性与结构稳定性，并且减少硅与电解质溶液的接触面积，降低活性锂的损耗，在一定程度上提高首次充放电效率。徐彩霞等研究人员通过强酸或强碱腐蚀多元含硅合金的方法制备纳米多孔硅合金（中国专利CN201310092226.4）与纳米多孔硅碳复合材料（中国专利 CN201310092227.9 ）。与模板法、化学气相沉积法、电化学氧化法、化学镀法和有机聚合物包覆碳化法等制备工艺相比，由多元合金制备硅合金与硅碳复合材料的工艺具有操作简单和成本低的优点。然而腐蚀法亦不可避免地存在一些问题，如反复用水清洗材料产生大量废水，生成等化学计量的副产物氯化铝、硫酸铝或铝酸钠；并且腐蚀时产生氢气，大规模生产时需要妥善处理具有危险性的H₂。况且硅与3d金属组成的硅合金以及硅碳复合材料，仍然存在首次充放电效率低的问题。充电时锂离子嵌入硅形成硅锂合金，放电时锂离子并不能实现完全脱嵌。因此，如何提高首次充放电效率是硅基负极材料商业化面临的一大难题。

当前，锂离子电池的负极极片一般由活性物质材料与导电剂、粘合剂、溶剂按一定比例混合制成浆料后均匀涂覆于铜箔两侧，再经干燥和滚压制成。这种传统的极片加工方法工序较长，需要消耗溶剂或分散剂，而且在现在的锂离子电池的制造工艺中使用的粘合剂是不导电的有机高分子聚合物，如含氟树脂、聚烯烃化合物、丁苯橡胶或羧甲基纤维素等，引入粘合剂不仅降低极片中活性材料的含量，减少电池容量，而且降低了极片的电子电导能力，影响电池的性能。当选用含氟树脂、聚烯烃化合物、丁苯橡胶等非水溶性有机聚合物作粘合剂时，还需选用有机溶剂，存在溶剂与活性材料可能发生化学反应，以及回收利用溶剂的问题。因此，结合硅基材料的特性，找到新的极片制造方法，避免传统方法中存在的弊端，也是促使硅基负极材料早日实现商业化的迫切需要。

发明内容

本发明提供了一种锂离子电池用负极片及其制备方法。本发明的锂离子电池用负极片是一种一体化的负极片。