[发明专利]硅负极及其制备方法、以及全固态锂离子电池及其制备方法

说明书

本申请提供一种硅负极及其制备方法、以及全固态锂离子电池及其制备方法。该硅负极包括：集流体；以及形成于所述集流体表面的硅活性层，其中，所述硅活性层包括岛状间隔开分布的多个硅嵌锂区和位于多个所述硅嵌锂区之间的间隙，所述硅嵌锂区中含有硅活性材料以及粘结剂，其中，所述硅活性材料在所述硅嵌锂区的质量比为70wt％‑99.9wt％，所述硅活性材料包括硅、硅/碳复合材料、硅/二硼化钛复合材料、硅/氮化钛复合材料中的任意一种或多种，硅活性材料的粒径为0.01μm‑30μm。本发明实施例的硅负极，通过在集流体上形成多孔隙结构的硅活性层，进而可以为在嵌锂时产生体积膨胀的硅提供容纳空间，避免硅活性层在脱嵌锂时产生开裂和脱落，提高全固态锂离子电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种硅负极及其制备方法、以及全固态锂离子电池及其制备方法。

背景技术

随着科技的发展，传统石墨负极由于其有限的理论比容量，已经不能够满足开发需求。研究人员开始将目光转向理论比容量高达4200mAh/g的硅负极，硅负极因其高的比容量能够显著提高电池的能量密度，此外，硅负极原材料丰富且对环境友好。但是，硅负极有一个致命的缺点就是硅在嵌锂时会发生超过300％的体积膨胀，这是因为在液态锂离子电池中，电解液每浸润一个硅负极颗粒，会在硅颗粒表面形成一层固态电解质界面膜，硅在嵌锂和脱锂时的这种膨胀会导致硅颗粒表面的固态电解质界面相不断的破裂和形成，造成活性锂的损失，最终导致硅负极容量快速衰减。

相对于液态锂离子电池，全固态锂离子电池采用固态电解质代替液态电解液，所以只有表层的固态电解质会跟负极的表层接触，能够减少固态电解质界面相的反复生成，因此硅负极在全固态锂离子电池中有着极大的应用潜力。目前，为了缓解硅的膨胀，大部分应用都是基于纳米硅跟碳骨架结合应用，但这在全固态锂离子电池中并不适用，因为碳骨架无法传导锂离子，且这种硅碳负极中硅的含量较低，无法发挥硅的高比容量，且碳骨架可能与固态电解质反应，从而导致全固态电池的能量密度降低并加速循环寿命衰减。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种能够避免硅活性层在脱嵌锂时产生开裂和脱落的硅负极。

本发明还提供一种硅负极的制备方法。

本发明还提供一种全固态锂离子电池。

本发明还提供一种全固态锂离子电池的制备方法。

根据本发明第一方面实施例的硅负极，所述硅负极包括：

集流体；以及

形成于所述集流体表面的硅活性层，

其中，所述硅活性层包括岛状间隔开分布的多个硅嵌锂区和位于多个所述硅嵌锂区之间的间隙，所述硅嵌锂区中含有硅活性材料以及粘结剂，其中，所述硅活性材料在所述硅嵌锂区的质量比为70wt％-99.9wt％，所述硅活性材料包括硅、硅/碳复合材料、硅/二硼化钛复合材料、硅/氮化钛复合材料中的任意一种或多种，所述硅活性材料的粒径为0.01μm-30μm。

进一步地，多个所述硅嵌锂区在所述集流体表面呈棋盘格状分布。

进一步地，所述间隙在所述硅活性层中的面积占比为15-45％。

进一步地，所述间隙在所述硅活性层中的面积占比为25-45％。

进一步地，所述间隙的宽度为10μm-1mm。

进一步地，所述硅活性材料的粒径为0.01μm-30μm，所述粘结剂为选自聚偏氟氯乙烯(以下有时简称PVDF)、聚丙烯酸(以下有时简称PAA)、羧甲基纤维素钠(以下有时简称CMC)、丁腈橡胶(以下有时简称NBR)、丁苯橡胶(以下有时简称SBR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(以下有时简称SBS)中的一种或多种。

进一步地，所述硅活性层的厚度为20μm以下。