[发明专利]一种硅基负极极片、硅掺杂复合集流体及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种硅基负极极片、硅掺杂复合集流体及锂离子电池。

背景技术

电动汽车的快速发展对高比容量、长循环寿命和高安全性动力锂离子电池的需求日益迫切。在锂离子电池负极材料中，硅以其它材料无法比拟的容量优势(理论比容量高达4200mAh/g)以及高安全性得到研究者的广泛关注。但是硅基负极在循环过程中的体积膨胀高达300％，易造成材料粉化，丧失与集流体电接触，导致其循环性能迅速下降。

申请公布号为CN107293700A的专利公开了一种硅基负极极片，其通过使用硅碳复合材料对硅基负极进行改进，该硅碳复合材料具有三层复合结构，包括位于内核的硅碳复合颗粒，位于中间层的多孔碳层和位于外层的致密碳层。硅碳复合材料虽然对电池的首次充放电效率有改善，但经过多次循环后，仍不能改善硅碳复合材料膨胀率大的问题，导致锂离子电池的循环性能、倍率性能仍需进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基负极极片，从而解决现有硅基负极存在的膨胀率大的问题。本发明同时还提供一种硅掺杂复合集流体和锂离子电池。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种硅基负极极片，包括集流体和附着在集流体上的电极材料层，所述集流体为采用离子注入法将硅掺杂到集流体内部的硅掺杂复合集流体。

本发明提供的硅基负极极片，硅以离子注入形式掺杂到集流体内部形成硅掺杂集流体，在硅掺杂集流体上涂覆电极材料制成硅基负极。离子注入过程在集流体内部产生缺陷、位错或损伤，位于其中的硅在充放电下的膨胀率小，且在可控范围内变化，从而极大程度改善硅基负极在循环过程中膨胀率大且不可控的问题。

同时，本发明提供的硅基负极极片，硅、集流体之间的内阻减小，导电性得到改善。在膨胀率、导电性得以改善的前提下，硅基负极的循环性能、倍率性能可以得到明显提升。

离子注入法是将经引出电极加速后的高能离子射入到固体靶材料之中，将能量传递给靶材料原子并使之离位，产生大量的离位原子和空位，而入射离子本身由于能量的损耗停留在靶内成为杂质原子，与基体元素结合从而实现掺杂。通过调节注入离子的能量和剂量，离子注入法可以控制入射离子的深度分布和掺杂浓度，从而计算出掺杂元素在基体中的化学含量。

离子注入材料表面的过程，是注入离子与基体原子间相互作用的过程，在材料表面是产生溅射和析出相形成的过程，在材料内部结构是产生点缺陷、位错和辐照损伤的过程。本发明正是利用上述作用过程，将硅与集流体所含元素结合，从而在发挥硅高比容量的同时，降低硅在循环过程中的膨胀率。

离子注入过程中，注入能量为100～300kev，注入剂量为(1～3)×10¹⁵cm^-2。Si²⁺的注入深度为10～1000nm。在上述优选参数下的离子注入过程，具有更佳的硅掺杂效果。

离子注入过程中，注入源可采用多晶硅。注入过程优选在保护气氛下进行。离子注入后再进行退火处理以消除注入损伤。退火处理在保护气氛下进行，退火处理的温度为90～100℃，时间为1～2h。退火处理后，即可得到硅掺杂复合集流体。

负极集流体一般选择铜箔，也可根据负极材料的种类、应用场合等因素的需要而选择镍箔、铝箔等金属箔。

所述集流体为经过刻蚀处理的刻蚀集流体。所述刻蚀处理采用酸刻蚀即可。具体地，将集流体置于酸溶液中浸泡，二次蒸馏水清洗、干燥，即可。酸溶液的浓度为(0.01～0.1)mol/L，浸泡处理时间为(1～24)h。酸可采用盐酸、硝酸、硫酸、磷酸中的一种。集流体经化学刻蚀后可去除表面氧化层并形成粗糙表面，可以为离子注入做好准备，获得更好的离子注入效果。经化学刻蚀处理后的集流体也可以提供更大的接触面积，从而便于电极材料层的粘附，降低接触内阻，提高极片能量密度。

电极材料层采用石墨等常规负极材料即可满足要求。优选的，电极材料层包括硅烷偶联剂和导电剂，硅烷偶联剂和导电剂的重量比为(50～70)：(10～30)。进一步优选的，电极材料层由硅烷偶联剂、导电剂和粘结剂组成，三者的重量比为(50～70)：(10～30)：(5～10)。采用上述组成的电极材料层，硅烷偶联剂一方面可连接集流体和导电剂，进一步提高极片的导电性；另一方面，硅烷偶联剂可与锂离子进行反应，不影响掺杂进集流体的硅的储锂反应，同时还可形成保护层，降低硅与电解液的直接接触，降低其副反应的发生几率。导电剂可进一步提高负极的容量、导电性。