[发明专利]阳极、其制备方法及锂离子二次电池

说明书

本申请提供一种阳极，其包括集流体和涂布在该集流体上并包含含氧官能团的碳纤维层。本申请还提供了一种制备该阳极的方法，特别是制备碳纤维层的方法。此外，本申请提供了一种包括上述阳极的锂离子二次电池。

技术领域

本发明涉及用于锂二次电池的阳极、其制备方法，以及包含该阳极的锂二次电池。

背景技术

与传统的铅酸电池或镍氢(NiMH)电池相比，锂离子二次电池具有更高的能量密度，因此已被广泛用作便携式电子设备例如移动电话、数码相机及笔记本电脑的电源。近年来，节能和环境保护受到越来越多的重视。作为清洁环保的能源，锂离子电池已经在混合动力电动汽车(HEV)、电动汽车(BEV)以及太阳能发电和风力发电行业的能量存储等领域中得到工业应用。然而，在这些领域中的进一步技术开发需要电池具有更高的容量和更长的寿命。

通常，锂金属氧化物，例如，钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、镍酸锂(LiNiO₂)或磷酸铁锂(LiFePO₄)已经用于锂离子二次电池的阴极活性材料。

对于阳极材料，尽管已经对Si和Sn合金进行了大量研究，但由于它们的膨胀限制、导电性差和低充放电效率等缺点，这些合金尚未投入商业用途。同时，锂金属或含锂合金一直被认为是具有高能量密度的阳极活性材料，在充电过程中，发生还原反应生成锂金属；放电时，锂金属被氧化成锂离子。

然而，当这种锂金属或含锂合金用于电池时，也具有其缺点。首先，在充电期间，所产生的锂金属会结晶而在阳极上形成小的锂粒子或锂枝晶。这种小的锂粒子或锂枝晶主要积聚在阳极表面上，迅速降低电池的寿命。第二，当累积到一定程度时，锂枝晶会刺破该锂电池的隔离膜，导致电池短路及安全隐患。第三，这种小的锂粒子具有高比表面积以及高活性，特别是在高温下，这也将导致安全隐患。第四，随着锂离子的氧化还原反应的进行，锂金属在阳极上析出，增加了阳极的厚度。第五，在阳极表面上析出的锂金属基本上是游离的。一旦锂金属变得游离，它就不参与充电或放电过程，结果缩短了电池的寿命。第六，如果电极被陶瓷状固体电解液覆盖，则由于锂的析出，固体电解液在充电/放电时会膨胀/收缩。当存在外部振动时，这种膨胀/收缩会导致该固体电解液出现裂纹而阻碍锂离子的移动并使电池失效。上述所有缺点都会给电池带来安全隐患。

为了使锂金属的氧化还原反应可逆以及解决上述安全问题，已经对薄膜叠层电池的实际应用进行了重大研究，在这些研究中，锂金属被析出在集流体上。然而，这种薄膜叠层电池的制备需要真空蒸镀设备，该设备的使用导致生产效率低和电池制造成本高。同时，薄膜叠层电池还需要更多的叠层、更多的隔离膜以及更多的集流体，所有这些都不可避免地降低了能量密度。因此，薄膜叠层电池无法解决安全问题。

有鉴于此，有必要提供一种阳极，其能够赋予电池更高的容量、更高的能量密度和更长的寿命，以及提供包含这种阳极的电池。

发明内容

本申请提供了一种阳极，其包括集流体和涂布在集流体上的碳纤维层，碳纤维包含位于其表面的含氧官能团。在充电期间，碳纤维的表面覆盖有析出的锂金属。

本申请还提供一种锂离子二次电池，其包括阳极、阴极、位于阳极和阴极之间的隔离膜，以及浸渍该阳极和阴极的电解液，该阳极如上所述。

本申请还提供上述阳极的制备方法，包括以下步骤：提供铁金属粒子；在铁金属粒子表面上生长碳纤维的初产品；以及对该碳纤维的初产品进行处理以产生碳纤维层；其中用于生产碳纤维的初产品的源气体是含碳气体或芳族溶液与氢气的混合物。

上述阳极可赋予电池更高的容量、更高的能量密度和更长的寿命。在该电池中，当锂金属析出在阳极时，在阳极的碳纤维层存在下，阳极的膨胀/收缩减少。此外，在阳极集流体上存在碳纤维层的情况下，在充电期间，小的锂粒子或锂枝晶将不再形成在阳极表面上，并且不会产生游离的锂金属。结果是电池容量不会降低。因此，本申请的电池具有更高的容量、更高的能量密度和更长的寿命。