[发明专利]硅氧预锂化负极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种用于硅氧预锂化负极及其制备方法和应用，其为多层层状结构，包括依次层叠设置的负极集流体、负极活性层、补锂层和隔离层；所述隔离层包含聚合物，所述聚合物选自聚甲基氢硅氧烷、硅烷封端聚醚、聚碳酸乙烯酯和聚丙烯酸丁酯中的一种或几种的混合物。聚合物隔离层可保护补锂层免受空气中氧气和水分的影响，显著提高了电池的首次库伦效率和循环性能，同时具有工艺简单、操作简便、成本低廉、经济效益高的特点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种硅氧预锂化负极及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，为适应新能源汽车、智能电网、分布式储能等快速发展的需求，开发具有高能量密度、高安全性和长循环寿命的锂离子电池成为当今储能领域的研究热点。电池能量密度的提升主要依靠关键电极材料的发展，如正负极材料容量的不断提升。现有的锂离子电池负极已经接近极限，为了满足新一代的能源需求，提高电池的能量密度，开发新型的锂电负极技术迫在眉睫。

硅的储锂理论容量是石墨容量的10倍以上，可以达到4200mAh/g，另外硅的安全性能优于石墨负极材料，这是因为硅的电压平台高于石墨，所以在充放电过程中硅表面不容易析锂，从而提高电池的安全性。同时作为自然界最丰富的元素之一，硅的来源广，制作成本低。高镍三元搭配硅碳体系由于其在能量密度上的独特优势受到越来越多电池制造厂家和材料研究者的重点关注，有望将单体电池的能量密度提高到300Wh/kg以上。

虽然高镍三元搭配硅碳体系具有其他正负极体系无法比拟的能量密度优势，但是硅材料在循环过程中快速的容量衰减严重阻碍了实用化进程。这是因为在充电嵌锂后，会使硅原子的体积会膨胀到原来的3倍以上，从而破坏表面原来的固体电解质界面膜(SEI)，快速降低电池的容量和循环性能。

目前，商业化的硅基负极材料主要是将氧化亚硅(SiO_x)与石墨复合，首次充电过程中SiO_x与Li⁺发生反应生成Li₂O、Li₄SiO₄等，不可逆地消耗来自正极的锂，导致首次充放电效率低、不可逆容量损失大。使用补锂材料对硅基负极进行预锂化，抵消上述不可逆锂损耗，以提高电池的首次充放电效率和可逆比容量，为高比能电池产业化应用提供材料解决方案。

但是，预锂化负极对空气中的氧气和水分具有高化学反应活性，放置过久会导致失效。为了改善预锂化负极的空气稳定性，研究人员已提出一些改进方。

比如，目前已报道的一种方案是：将PMMA溶解于1,3-二恶烷中，在手套箱中将锂粉加入溶液配置为悬浊液，机械搅拌均匀后流延成膜，升温静置至1,3-二恶烷完全蒸发后，将样品从手套箱中移出，获得PMMA包覆锂粉薄膜；将氧化亚硅粉末与分散剂和无水乙混合后湿法球磨1～3h，将球磨浆料涂布于碳膜表面，烘干后获得负载氧化亚硅粉末的碳膜；向PMMA包覆锂粉薄膜和负载氧化亚硅粉末的碳膜分别喷涂少量粘结剂后，通过卷对卷辊压机压制成型，获得所需的负极材料。但采用这种方法，辊压时不易均匀，还可能造成断带和褶皱，同时辊压产热带来安全隐患。

另外，还有人提出以氧化亚硅、惰性锂粉、1-氟癸作为原材料，有机液体为溶剂实现硅基负极的预锂化处理并同时形成人造SEI膜，SEI膜包覆均匀致密，其组成为LiF和具有长疏水性碳链的碳酸烷基酯锂，可保护锂免受水氧的影响。但这种方法操作复杂，不适合大规模生产。

综上，目前所采用的方法在操作性、普及性、以及实际效果方面均存在一定的问题，在提升预锂化负极的环境稳定性方面存在局限。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种含隔离层的硅氧预锂化负极，隔离层可作为界面保护层，使锂层免受水氧的影响。将其用于锂离子电池，可提升锂离子电池的首次充放电效率和循环性能。

技术方案如下：