[实用新型]新型锂离子电池负极和使用该负极的锂离子电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及锂离子二次电池领域，特别是涉及作为动力和储能应用的锂离子二次电池领域，提出了一种新型锂离子电池负极和使用该负极制得的锂离子电池，该锂离子电池具有优异的耐过放电性能，同时还具有更好的循环寿命特性和安全性。 

背景技术

锂离子电池以其能量密度大、工作电压高、循环寿命长和自放电率低等特点，越来越受到人们的关注，其应用范围也在逐渐拓展。锂离子电池正、负极材料均采用锂离子可以自由嵌入和脱出的具有层状或隧道结构的锂离子嵌入化合物。充电时，锂离子从正极脱出，嵌入负极；放电时，锂离子则从负极脱出，嵌入正极。即在充放电过程中，锂离子在正负极间嵌入脱出往复运动，犹如来回摆动的摇椅或往复运动的羽毛球，因此被形象地称为“摇椅(rocking chair)或“羽毛球(shuttlecock)”电池。目前，已经商品化的锂离子电池的正极活性材料主要包括锂过渡金属氧化物和锂过渡金属磷酸盐。碳材料相对较好地满足了锂离子电池对于电极活性材料高电导率、较大的嵌入锂容量、高化学稳定性的要求，同时其还具有嵌锂电位低，来源丰富，价廉易得，无毒无污染的优点，因此其最终成为了首选的锂离子电池负极材料。用于锂离子电池的碳负极材料包括：天然石墨、人造石墨、石油焦碳、热解炭、碳纤维等。 

然而，在研究和应用的过程中人们发现，由于碳材料自身存在的一些缺陷，会影响锂离子电池的性能发挥。首先，在脱嵌锂过程中碳材料表现出较大的体积变化，在电池循环过程中这会使碳材料颗粒间产生较大应力，导致负极掉粉，影响电池的循环寿命；其次，由于碳材料嵌锂后的化学活性与金属锂相近具有非常活泼的性质，在电池发生内部短路时，容易发生电池热失控现象，引起安全事故；再次，锂离子电池负极采用金属箔作为集流体，如果在使用过程中发生过放电，当电池电压低于2V时，金属箔集流体会发生氧化腐蚀，造成电池循环寿命降低和充放电性能衰减。 

发明内容

为了解决碳材料作为负极的锂离子电池存在的上述问题，本发明者们注意到尖晶石结构的钛酸锂作为新一代的锂离子电池负极材料，具有一些有别于碳材料的特点。首先，钛酸锂属于零应变材料，充放电过程中其骨架保持不变；其次，其化学稳定性高，不会与电解液发生副反应，而且脱锂后的钛酸锂基本是一种电子绝缘体；再次，其脱嵌锂电位在1.5V vs Li/Li⁺，与相同的正极材料组成全电池，钛酸锂电池的放电平台电压比碳材料电池低约1.2V，只要控制电池的放电电压大于或等于正极-钛酸锂的电压差，钛酸锂材料即可成为防止金属箔集流体被过放电的保护材料。因此，针对碳材料的缺陷和钛酸锂材料的特点，将钛酸锂材料和碳材料复合使用，可以有效的提高碳材料作为负极的锂离子电池的性能。 

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是： 

一种新型锂离子电池负极，由碳材料层、钛酸锂材料层和金属箔集流体构成，其中碳材料层涂布于金属箔集流体表面，钛酸锂材料层涂布于碳材料层表面。

所述碳材料包括石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳中的一种。 

所述钛酸锂材料层的面密度是碳材料层的面密度的1％～50％；优选地，钛酸锂材料层的面密度是碳材料层的面密度的10％～30％。 

按照常规的锂离子电池制造工艺，采用锂过渡金属氧化物或锂过渡金属磷酸盐作为正极活性材料制备正极，然后与本实用新型提供的双层活性物质结构的负极片和隔膜通过卷绕或叠片的方式制成锂离子电池。 

本实用新型提供的双层结构的锂离子电池负极，将碳材料电极表面涂布一层钛酸锂材料，可以利用钛酸锂材料的特点，有效弥补碳材料存在的缺陷，具体机理可能为：(1)钛酸锂材料层由于自身的零应变的特点，可作为缓冲层，缓解碳材料脱嵌锂时的体积效应，降低材料应力的产生，减少负极掉粉，提高电池的循环性能；(2)钛酸锂材料层在电解液中稳定性高，其在碳材料与电解液之间可以作为保护层降低碳材料与电解液的接触面积，有效降低嵌锂碳与电解液的反应，提高电池的循环性能和安全性；(3)钛酸锂材料的脱锂态是一种电子绝缘体，即使发生内部短路，钛酸锂材料层也能有效使碳负极和正极活性物质隔离；(4)与相同的正极材料组成全电池，钛酸锂电池的放电平台电压比碳材料电池低约1.2V，当碳材料放电至截止电压时，钛酸锂还未到达放电电压，当电池发生过放电时，电池电压下降至钛酸锂的放电电压(2.5V)，钛酸锂开始放电，电池在2.5V左右出现放电平台，这就阻止了电池电压继续降低，从而可以抑制电池电压下降到2V以下金属箔集流体发生氧化腐蚀，降低过放电对电池性能的损害。