[发明专利]一种纯硅负极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种纯硅负极及其制备方法和应用，所述纯硅负极包括集流体和设置于所述集流体表面的活性物质层，所述活性物质层包括硅、粘结剂、电解质和导电剂，所述硅的粒径为0.5～10μm，本发明使用纯硅作为负极活性材料，纯硅负极可最大发挥硅高容量的优点同时避免各种副反应的发生，将纯硅与全固态电池相结合不仅可以发挥两者优势还能互补改善两者缺点。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种纯硅负极及其制备方法和应用。

背景技术

得益于国家对电动车行业的一系列补贴政策，国内电动车市场飞速发展。但是，基于现有的液态电解质锂离子动力电池体系，2025年后电池能量密度与安全性能将难以满足国家要求。使用不易燃烧的固态电解质取代传统的液态电解质可以在确保电池安全性能的同时将电池的能量密度提高约66％，因此固态电池被认为是下一代电池技术的重要方向。

目前限制固态锂电池应用的主要问题是电池的能量密度及功率密度过低。由于固体电池所用固态电解质一般较液态电池所用隔膜更厚，因此只有负极所用材料大幅高于石墨材料的比容量时才能使固态锂电池的能量密度达到要求。硅作为电池负极不仅具有极高比容量，更重要其储量丰富且无安全风险，是一种十分理想的锂电池负极材料，但其也存在明显的缺点，就是嵌锂后体积会发生剧烈膨胀，循环过程中反复的体积变化造成结构损坏导致电性能快速衰减。

CN110233282A，公开了一种带有硅负极和硫化物固体电解质的全固态电池，其包括电芯，电芯包括负极、固体电解质层和正极，负极包括集流体和叠压固定于集流体侧面上的嵌锂层，嵌锂层由包括有硫化物电解质粉粒和含硅负极粉体的混合粉料压制而成，混合粉料中硅含量为40～53wt％，硫化物电解质粉粒的粒径为10～100nm，含硅负极粉体的粒度为10～100nm，嵌锂层的孔隙率为15～23％，嵌锂层可对含硅负极粉体脱嵌锂过程造成的膨胀/收缩做出自适应的调整，减少嵌锂层开裂粉化的可能，以及保证嵌脱硫层分别与集流体、固体电解质层的电接触稳定，由此减缓高硅负极固态电池容量衰减，提高高硅负极固态电池的循环性能。

CN112310361A公开一种氧化亚硅负极材料、电极及其制备方法和应用。其包括以下步骤：在惰性气氛的条件下，将预浸渍的硅负极材料进行第一次热处理、第二次热处理后即得；预浸渍的硅负极材料为锂化溶液与氧化亚硅的混合液干燥后所得粉料；第一次热处理中第一包覆剂为含氟元素且能在500℃以下释放或分解出含氟气体的物质；第二次热处理中第二包覆剂为含碳有机气体或者500℃以下能够气化形成含碳气体的固态含碳有机物或者液态含碳有机物。

提升硅负极体积膨胀及循环性能常用方法是使用碳化硅、氧化硅或与石墨混合，但是这些方法不仅会严重影响硅的容量发挥更会造成一系列复杂的副反应，造成更低的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纯硅负极及其制备方法和应用，本发明使用纯硅作为负极活性材料，纯硅负极可最大发挥硅高容量的优点同时避免各种副反应的发生，将纯硅与全固态电池相结合不仅可以发挥两者优势还能互补改善两者缺点。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种纯硅负极，所述纯硅负极包括集流体和设置于所述集流体表面的活性物质层，所述活性物质层包括硅、粘结剂、电解质和导电剂，所述硅的粒径为0.5～10μm，例如：0.5μm、1μm、2μm、5μm、8μm或10μm等。

本发明使用纯硅材料作为固态电解质负极，纯硅材料与电解质间不会发生任何副反应，有效提高电池稳定性，纯硅可最大程度发挥其高容量优势，电芯具有极高能量密度，硅粒径小于0.5μm时，会导致原料制备成本过高，同时过大的比表面积会造成副反应增加，造成首效下降，粒径大于10μm时，循环过程中体积的反复变化易导致颗粒破裂，破坏了结构完整性。

优选地，所述硅的形貌包括球状、棒状或片状中的任意一种或至少两种的组合，优选为球状。

优选地，所述硅的纯度＞99％。