[发明专利]复合负极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了复合负极及其制备方法和应用，其中，复合负极包括金属复合层和负极片基体，所述金属复合层包括负极材料层和渗入所述负极材料层中的金属纳米颗粒；所述负极片基体具有锂金属层，所述金属复合层与所述锂金属层贴合。该复合负极利用金属纳米颗粒与锂离子的合金化限域作用来控制锂枝晶，延缓或抑制锂离子在锂金属层上的沉积，使锂离子在每个通道上相对均匀地沉积、成核和生长，解决了锂离子不均匀沉积而导致负极表面锂枝晶生长及电池内短路的问题，能够显著改善电池的循环性能、倍率性能、安全性能和使用寿命等。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体而言，涉及复合负极及其制备方法和应用。

背景技术

随着电器设备向大型化和多功能化方向发展，对锂离子二次电池的能量密度及使用寿命提出了更高的要求，并且由于各种便携式电子设备和电动汽车的快速发展和广泛应用，对于能量高、循环寿命长的锂离子电池的需求十分迫切。目前商业化锂离子电池的负极材料主要为石墨，由于其理论容量低(372mAh/g)，高倍率充放电性能差，限制了锂离子电池能量的进一步提高。而硅碳材料又面临首次充放电效率低、膨胀大、长循环等带来的材料粉化问题。为了满足可充电电池的能量密度要求，目前的研究方向主要集中于高比容量电池体系，例如：硅、锡、锂金属、锂硫电池等。

锂金属具有极高的理论比容量和低电化学电位，是非常有前景的负极材料。然而，由于其安全性和效率的原因，很难应用于商业化的锂电池中，具体地，在锂金属反复地沉积和溶解过程中，锂离子的不均匀沉积会导致负极表面不可避免地发生锂枝晶的生长，从而刺穿隔膜引起电池的内短路；并且，锂枝晶和电解液界面高的比表面积会促进SEI膜的不断形成，导致内阻增加引起库伦效率的快速降低。因此，具有能量密度高、循环寿命长和安全性能好的锂电池有待进一步研究。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种复合负极及其制备方法和应用，以解决锂离子的不均匀沉积导致负极表面锂枝晶生长及电池内短路的问题，达到防止或抑制锂枝晶的产生和生长的目的，从而显著改善电池的循环性能、倍率性能、安全性能和使用寿命等。

为达到上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种复合负极。根据本发明的实施例，该复合负极包括：

金属复合层，所述金属复合层包括负极材料层和渗入所述负极材料层中的金属纳米颗粒；

负极片基体，所述负极片基体具有锂金属层，所述金属复合层与所述锂金属层贴合。

进一步地，所述金属纳米颗粒均匀分布在所述负极材料层中。

进一步地，所述负极材料层包括选自碳基材料、硅基材料和硅氧基材料中的至少一种。

进一步地，所述金属纳米颗粒为选自银颗粒、铝颗粒、镁颗粒、锌颗粒和金颗粒中的至少一种。

进一步地，所述金属纳米颗粒的金属纯度为99.99～99.999％。

进一步地，渗入所述负极材料层中的所述金属纳米颗粒的总体积为厚度为5～1000nm的所述负极材料层的体积。

进一步地，所述负极材料层的厚度为10～60μm，所述负极材料层的孔隙率为30～55％。

进一步地，所述负极片基体包括相互贴合的锂金属层和铜金属层。

进一步地，所述锂金属层的厚度为5～50μm。