[发明专利]一种锂离子电池负极极片及其制备方法和锂离子二次电池

说明书

本发明提供了一种锂离子电池负极极片，包括集流体和设置于所述集流体表面的三级结构复合膜层，所述三级结构复合膜层包括设置于所述集流体表面的凸起阵列、生长在所述凸起表面的纤维状精细结构、以及填充在所述三级结构复合膜层其余空隙处的负极活性材料。该锂离子电池负极极片具有一体化三级结构，不仅可以有效缓冲充放电过程中负极活性材料的体积变化带来的负面影响，提高电池的循环特性，同时还可提高负极嵌锂活性物质含量进而提升电芯能量密度。本发明还提供了一种锂离子电池负极极片的制备方法即包含该锂离子电池负极极片的锂离子二次电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池负极极片及其制备方法和锂离子二次电池。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度较高、循环寿命长、免维护等优点，目前已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、储能电器等领域。

近年来，随着手机等便携式电子设备的功耗逐年增大，市场对高能量密度锂离子电池的需求也越来越迫切。研究表明，在锂离子电池体系中，采用硅系负极材料可实现电池能量密度倍增。然而由于硅材料单位嵌锂量大，在锂的嵌入和脱嵌过程中膨胀显著，因此导致硅颗粒快速粉化脱离电接触而失去储锂能力，最终电池的容量迅速衰减。

为了解决硅材料的体积膨胀问题，业界采用了如下方式以期在提高电池能量密度的同时，获得良好的循环性能，但效果均不是很理想。例如，(1)将硅与石墨混合或将硅进行石墨包覆，但这种方式不能有效改善硅材料膨胀粉化问题，也无法提高硅材料的压实密度；(2)采用CMC、PAA、PI、PVA等高分子材料作为粘结剂抑制硅粉化，但是这些高分子需要在较高的添加量下才能实现好的粉化抑制效果；(3)将硅与石墨烯或碳纳米管混合，石墨烯或碳纳米管可在极片中起到增强作用，但加入石墨烯或碳纳米管后，粘结剂分子将会发生团聚很难分散完全，因而该方式限制硅颗粒膨胀时的位移效果有限。

发明内容

鉴于此，本发明第一方面提供了一种锂离子电池负极极片，其具有一体化三级结构，不仅可以有效缓冲充放电过程中硅等负极活性材料的体积变化带来的负面影响，提高电池的循环特性，同时还可提高负极嵌锂活性物质含量进而提升电芯能量密度。

具体地，第一方面，本发明提供了一种锂离子电池负极极片，包括集流体和设置于所述集流体表面的三级结构复合膜层，所述三级结构复合膜层包括设置于所述集流体表面的凸起阵列、生长在所述凸起表面的纤维状精细结构、以及填充在所述三级结构复合膜层其余空隙处的负极活性材料。

其中，所述负极活性材料包括硅、硅基合金、锡和锡基合金中的至少一种。

所述凸起阵列的材质为铜、铝、镁、铁、钴和镍中的至少一种。

所述纤维状精细结构的材质为碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯中的至少一种。所述纤维状精细结构为丝状、片状和网状中的至少一种。

所述纤维状精细结构可以是一维结构，也可以是二维结构。当所述纤维状精细结构为一维结构时，直径为0.001μm-0.1μm，长度为0.01μm-1μm。当所述纤维状精细结构为二维结构时，直径为0.1μm-1μm，厚度为0.001μm-0.1μm。

所述三级结构复合膜层中，所述凸起阵列的质量占比为5％-30％。

所述三级结构复合膜层中，所述纤维状精细结构的质量占比为5％-20％。

可选地，所述凸起阵列垂直设置于所述集流体表面。

可选地，所述纤维状精细结构平行于所述集流体表面。

其中，所述凸起阵列的形状可以是圆柱、棱柱、弧形、五角星、金字塔和网格中的至少一种。

可选地，所述凸起阵列的高度为0.1μm-50μm。

可选地，所述凸起的直径为0.01μm-1μm。