[发明专利]锂离子电池层级复合负极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种锂离子电池层级复合负极极片及其制备方法和应用，所述负极极片包括依次连接的集流体、第一活性物质层、第二活性物质层以及第三活性物质层；其中，所述第一活性物质层的活性材料包括天然石墨；所述第二活性物质层的活性材料包括人造石墨；所述第三活性物质层的活性材料包括硬碳。本发明所述层级复合负极与金属箔材集流体之间的附着力强，体积变化程度小，循环寿命得到增强，同时可以显著增强锂离子电池大倍率下的充放电能力，实现锂离子电池能量密度与功率特性的良好平衡。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及锂离子电池层级复合负极及其制备方法和应用。

背景技术

目前已经商业化的锂离子电池负极材料主要为包括天然石墨、人造石墨等在内的石墨材料。石墨材料具有低嵌锂电位，储量丰富，价格低廉以及无毒无污染的突出优点，能够较好的满足锂离子电池对于电极材料较高比容量、高化学稳定性，稳定电位平台的需求，是目前锂离子电池负极的商用首选材料。

然而，随着新能源汽车以及电子设备领域的飞速发展，石墨材料在应用过程中的缺陷愈发显著，成为了限制锂离子电池性能的桎梏之一。比如天然石墨层状结构规则且各向异性较高，锂离子的嵌入速度缓慢，严重限制了天然石墨的倍率性能，另外颗粒表面反应不均匀也导致了电极表面成膜不均匀；而人造石墨循环性能较好，充放电效率高，但其制备工艺复杂，成本相对较高，能量密度也较低。常规的单一石墨负极结构限制了锂离子电池的大电流充放电能力和循环充放电能力的有效平衡，已经难以满足高能量密度和高功率特性兼容的应用需求。

因此，亟需开发设计出一种具有层级结构的复合负极，兼具对集流体的高粘附性，较小的体积变化，高离子电子电导性等优异性能，可以显著增强锂离子电池的循环充放电能力以及大电流充放电能力，满足锂离子电池对高能量密度以及高功率特性兼容并行的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池层级复合负极及其制备方法和应用。该层级复合负极与金属箔材集流体之间的附着力强，体积变化程度小，循环寿命得到增强，同时可以显著增强锂离子电池大倍率下的充放电能力，实现锂离子电池能量密度与功率特性的良好平衡。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种锂离子电池的层级复合负极极片，所述层级复合负极极片包括依次连接的集流体、第一活性物质层、第二活性物质层以及第三活性物质层。

其中，所述第一活性物质层的活性材料包括天然石墨，所述第二活性物质层的活性材料包括人造石墨，并且所述第三活性物质层的活性材料包括硬碳。

本发明中第一复合负极层选取易压实，与金属箔材集流体粘附力优异的天然石墨，可以保证负极材料与集流体之间的稳定附着，减少电池制备和循环过程中掉料的可能性，改善复合负极与集流体在循环过程中的剥离问题；第二复合负极层选取具有较小体积变化且循环寿命较长的人造石墨，满足电池在大电流充放电下的良好使用，保障电池的主体性能；第三复合负极层选取硬碳材料，硬碳材料具有较大的层间距，其良好的锂离子扩散通道可以提升电池的大电流充放电性能以及低温性能，满足功率性能的需求，同时硬碳在电解液中的高稳定性可以有效减少电解液副反应的发生；对易压实天然石墨和低压实易碎硬碳进行结构化分层设计，可以改善层级复合负极的压实密度，避免对硬碳的结构损伤，最大化发挥硬碳的离子扩散能力；通过对具有不同物理性质、电化学性质的负极材料进行层叠结构化设计，可以实现复合负极粘附能力、内部结构，扩散通道等方面的有效改善，提升负极材料的整体性能，促进锂离子电池能量密度以及功率特性的良好并行。

作为本发明优选的技术方案，所述集流体包括金属铜箔和/或涂炭铜箔。