[发明专利]一种负极及包含该负极的锂二次电池

说明书

本发明提供了一种负极及包含该负极的锂二次电池，所述负极包括集流体、第一负极活性材料层、第二负极活性材料层，所述第一负极活性材料层形成在所述集流体的至少一个表面上，包括作为负极活性材料的天然石墨、人造石墨的混合物和第一粘合剂；所述第二负极活性材料层形成在所述第一负极活性材料层上，包括作为负极活性材料的磷碳复合物和第二粘合剂。本发明使用具有高能量密度、优异的Li⁺传导性、表面含有有机物涂层的的磷碳化合物作为负极材料，并采用双层负极的结构的设计可以制备出高能量密度，快充特性和寿命优异的锂离子二次电池。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其是涉及一种负极及包含该负极的锂二次电池。

背景技术

通常，二次电池由正极、负极、电解质和隔膜组成。在所述二次电池中，锂离子在相反的电极之间往复运动的同时发生能量转移，使得通过第一次充电，来自正极活性材料的锂离子嵌入负极活性材料例如碳粒子中，而在放电期间锂离子脱嵌，并且以这种方式，所述二次电池可被充电和放电。

随着锂二次电池在动力汽车行业应用越来越广泛，对锂二次电池高能量密度、长循环寿命和高倍率下充放电性能有了更高的要求。然而，锂二次电池的基本性能特征受负极材料的影响很大。为了最大化电池的性能，负极活性材料需要满足以下条件：电化学反应电位应接近锂金属，与锂离子的反应可逆性应较高，并且锂离子在活性材料中的扩散速率应较快。石墨已被广泛用作满足这些要求的材料。考虑到天然石墨的优异粘附性和人造石墨的优异输出和寿命特性，已经使用天然石墨和人造石墨的混合物来改善各种二次电池的性能。然而，当使用这样的混合物时，存在由于天然石墨而导致快速充电性能降低的问题。具有高锂化能力的合金元素(例如硅)组成的二元复合材料，其可逆容量为517mA·h/g(相对于复合材料质量)和大于3.3mA·h/cm²的面积容量。但是，这种容量仅在0.26A/g的相对较低的电流密度下才能实现，充电时间约为2小时。为了解决这一问题并确保稳定性，已经提出了一种多层电极，其中靠近集流体的粘附性很重要的部分由天然石墨和人造石墨的混合物组成，而远离集流体的部分由Si和石墨混合组成。然而，上述多层负极由于石墨和硅的特性，因此不能将能量密度、快速充电、稳定性和寿命提高到所需水平。

层状磷在高速率，大容量的锂存储中表现出多种吸引人的功能。通过与Li⁺的三电子合金化反应，磷理论上可以提供2596mA·h/g的容量密度。磷的大容量有助于抵消其相对较高的电压损耗，从而根据公式E＝V(q)×Q(Idis)获得较高的比能量密度，其中V(q)是平均电池电压与充电状态的关系，Q(Idis)是给定放电电流的容量密度。此外，磷的电导率为300S/m，比硅(6.7×10-2S/m)大四个数量级；沿着层状磷的锯齿形方向的Li⁺扩散势垒仅为0.08eV的特性，已引起人们对磷中Li⁺扩散速率的研究，迄今为止的研究表明，块状磷中Li⁺的扩散速率比硅或其他常规负极材料中高。但是磷纳米薄片的锯齿形扩散通道附近的原子重构阻碍了Li⁺在整个表面上转移的动力学。另外，在充放电循环中磷的体积变化使固体-电解质中间相(SEI)不稳定，导致循环性能差。因此磷在锂二次电池中的使用受到了限制。

因此，迫切需要通过解决上述问题而开发一种具有优异的热稳定性和改善的快速充电和充/放电特性的高能量密度锂二次电池。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出负极及包含该负极的锂二次电池，以从负极材料方面改善高负载锂二次电池快速充电和充/放电特性，解决锂二次电池快充问题问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种负极，所述负极包括集流体、第一负极活性材料层、第二负极活性材料层，所述第一负极活性材料层形成在所述集流体的至少一个表面上，包括作为负极活性材料的天然石墨、人造石墨的混合物和第一粘合剂；所述第二负极活性材料层形成在所述第一负极活性材料层上，包括作为负极活性材料的磷碳复合物和第二粘合剂。