[发明专利]一种锂离子电池用电极及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用电极及其制备和应用，所述电极是以泡沫镍作为催化剂，将泡沫镍板与待沉积导电物质的板状硅电极基体外表面接触，采用接触式化学镀工艺实现对硅电极基体的化学原位沉积使其表面及内部沉积有镍磷复合涂层，这种电极作为负极应用于锂离子二次电池中，可明显提高锂离子电池负极性能和能量密度，具有实现未来工业化大规模生产的巨大潜力。

技术领域

本发明涉及二次锂离子电池中的硅负电极制备。

背景技术

近年来，随着全球能源环境危机的日益严重，锂离子电池具有无记忆效应、快速可逆充放电和高库伦效率等优点已成为各类电子产品比如笔记本电脑、电动自行车等电子设备的首选电源。

然而人们在大容量锂离子电池的研究上进展缓慢。这是因为，目前作为锂离子电池正极材料的钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂及它们的衍生物和商业化的负极材料石墨已经接近理论容量，很难再有提升。为满足对高容量锂离子二次电池的需求，高容量低成本的新型电极材料成为近年来的研究热点。

硅材料与传统的石墨负极材料相比，其比容量(4200mAh g^-1)是天然石墨的十多倍。与金属锂相比，由于硅在合金材料中的堆积密度与锂相近，因此硅还具有很高的体积比容量，不同于石墨类材料，硅的高比容量源于硅锂的合金化过程，因而硅负极材料不会与电解液发生溶剂共嵌入，进而对电解液的试用范围更广；相比于碳材料，硅有更高的脱嵌锂电位，可有效避免大倍率充放电过程中锂的析出，能够提高电池的安全性。

由于体积效应(膨胀率约为300％)的影响，硅电极在充放电过程中会发生结构破坏，导致活性物质从集流体上剥落，活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层(SEI)最终导致硅电极负极材料在可逆容量，循环稳定性和倍率性能方面并不能发挥出较好的电池性能。现有的解决策略包括使硅基材料纳米化、复合化等，其用于复合的体积效应小、导电性好的缓冲基体可以抑制硅在充放电过程中的体积变化，增强硅与导电骨架的接触紧密性，简单可以分为硅-金属复合负极材料和硅-非金属复合电极材料两种类型。然而随着充放电过程的进行，其电极会因为硅电极在充放电过程中依旧存在不可逆的体积变化，且无法复原，而最终依然会因为电极结构的破坏，而导致容量逐渐衰减。

“化学镀”作为一种自催化沉积反应技术，该方法沉积的涂层具有厚度均匀、沉积速度快等特点。现有的通过化学镀方法对柔性电极材料进行化学镀沉积可以很好的解决柔性电极的集流和导电性问题。若可以使用这种技术对硅负极材料三维沉积具有高导电性、高弹性的涂层，不但可以提高电极材料的导电性问题，同时可以通过高弹性的镀层沉积很好的保持电极材料的结构和形貌，维持较好的电池性能。因而开发一种锂离子电池用三维高弹性、高导电率的化学镀复合涂层沉积的硅负极材料显得十分有意义。

发明内容：

本发明提出采用泡沫镍做为接触式催化剂，通过与电极材料的紧密接触，实现硅负极材料进行镍磷复合涂层的化学镀沉积使其表面及内部沉积有高弹性、高导电率的镍磷复合涂层。

所述电极是以泡沫镍作为催化剂，将泡沫镍板与待沉积导电物质的板状硅电极基体外表面接触，采用接触式化学镀工艺实现对硅电极基体的化学原位沉积使其表面及内部沉积有镍磷复合涂层，电极表面金属涂层厚度0.3μm-3μm；硅电极基体包括活性物质、导电碳材料、粘结剂或活性物质和粘结剂；其中活性物质的质量含量60-80％，导电碳材料的质量含量为0-20％，粘结剂的质量含量10-35％，电极基体表层及内部的镍磷复合涂层质量含量占电极的1-10wt％。

所述导电碳材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、KB600、KB300、Super-P中的一种或两种以上。

所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)中的一种或两种以上。

所述活性材料为硅的氧化物、纳米硅颗粒、多孔硅、硅/金属、硅/碳复合材料中的一种或两种。