[发明专利]一种硅基负极极片及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅基负极极片及其制备方法和锂离子电池。本发明的硅基负极极片，包括集流体、涂覆于集流体表面的第一涂覆层和涂覆于第一涂覆层表面的第二涂覆层，第一涂覆层包含第一硅基活性材料和第一石墨活性材料，第二涂覆层包含第二硅基活性材料和第二石墨活性材料；第一硅基活性材料的粒径大于第二硅基活性材料的粒径；第二石墨活性材料为二次颗粒的人造石墨；第一石墨活性材料的能量密度高于第二石墨活性材料的能量密度，第一石墨活性材料的快充能力小于第二石墨活性材料的快充能力。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅基负极极片及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

经过多年的技术发展，比容量远高于传统石墨负极(372mAh/g)的硅负极(4200mAh/g)逐渐形成了相对成熟的产业化方案。目前通过复配硅基材料(主要为SiOx，0＜x＜2和纳米硅碳)和传统石墨并结合硅基材料的预锂、预镁和碳包覆等技术已经实现较低硅占比(＜10％)的硅碳负极在商业化高端数码和动力电池上的应用。

然而，对于更高硅占比(＞10％)的硅碳负极，硅基材料在充放电过程存在剧烈的膨胀(～300％)和收缩效应，进一步引起的活性物质颗粒的破碎、活性涂层的剥离、电解液的消耗、电极导电网络的破坏和内阻的升高等一系列失效问题将变得不容忽视，而这将严重影响电池的循环寿命。此外，硅基材料相比石墨负极还存在颗粒硬度更高和电子电导率更低的问题，前者可能导致极片压实难以提升且活性物质涂层与集流体之间结合力变差，后者则限制了硅基负极的倍率性能和容量发挥。

现有技术中常采用双层涂布技术和/或合理搭配硅基材料与石墨类型来制备硅基负极，但是现有的方法仍存在较多不足。

CN115498164A通过优选二次颗粒石墨和硅负极颗粒的粒径来增加石墨颗粒的各向同性并在电极内部形成较大的空隙从而降低负极片的整体膨胀，但此方法忽视了纯二次颗粒石墨首效和克容量相比高能量密度石墨偏低从而电池能量密度提升有限的问题。

CN115000407A通过构建一种双层负极，其中两层涂覆层采用不同的含硅活性物质、导电剂和粘结剂体系分别针对活性物质层与集流体之间的结合力、活性物质颗粒间的内聚力以及首效进行了优化，但是该专利未充分研究不同硅基材料与不同石墨负极之间匹配性的问题，无法在实现高首效和高容量的同时更好地提升电极的快速充电和循环性能。

因此，进一步研究制得能够兼顾高能量密度、快充、低膨胀和长循环性能的更高硅占比的硅碳负极显得十分必要。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种硅基负极极片，通过构筑双层涂覆电极，其中第一涂覆层中采用大粒径硅基材料和高能量密度人造石墨，兼顾了高能量密度和与集流体之间的强结合力；第二涂覆层中采用小粒径硅基材料和快充人造石墨，兼顾了快速充电能力和低膨胀特性；针对双层涂覆层中物料的种类进行选择，使得电极整体与集流体之间具备更好的粘结作用同时具备高能量密度、快充、低膨胀和长循环等特性。

本发明的硅基负极极片，包括集流体、涂覆于所述集流体表面的第一涂覆层和涂覆于所述第一涂覆层表面的第二涂覆层，所述第一涂覆层包含第一硅基活性材料和第一石墨活性材料，所述第二涂覆层包含第二硅基活性材料和第二石墨活性材料；其中，

所述第一硅基活性材料的粒径大于所述第二硅基活性材料的粒径；

所述第一石墨活性材料的能量密度高于所述第二石墨活性材料的能量密度，所述第一石墨活性材料的快充能力小于所述第二石墨活性材料的快充能力。

本发明的硅基负极极片带来的优点和技术效果：