[发明专利]一种锂离子电池及其负极

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种能有效抑制石墨循环膨胀的锂离子电池负极，以提高锂离子电池的低温及倍率性能，以及包含该负极的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池自商业化以来，由于其能量密度高、工作电压高、无记忆效应、循环寿命长和对环境无污染等诸多优点被广泛用作各种移动设备的电源，这使其进入了大规模的实用阶段。

随着各种便携电子设备的不断多功能化和精细化，其对锂离子电池的能量密度也提出了越来越高的要求。为了达到提高锂离子电池的能量密度的目的，目前，大量的研究工作都集中在锂离子电池的正极、负极、隔膜和电解液等几大关键材料上。

在负极方面，为满足能量密度需求，一方面，在石墨制造商与电池生产商的工作努力下大批高容量石墨已被广泛应用，目前可逆容量达到360mAh/g，逐步趋近到372mAh/g的理论极限。有关研究表明，石墨层间距为0.3354nm，锂插入石墨层间后，层间距扩大到0.3706nm，石墨化程度越高的石墨理论可逆容量越大，但对于可逆容量大的石墨，石墨膨胀也越大。

另一方面，电池内部设计方面，为充分利用电池内部的有效空间，最大程度地缩小电池内部集流体、隔膜等非能量密度贡献单元的体积，电极极片涂布重量也越来越大。目前，锂离子电池水性负极极片一般采用苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)作为粘结剂，这类粘结剂粘结力较差；在电池内部，注入电解液后，这类粘结剂的粘结力会进一步弱化，当极片厚度增加后，极片粘结显著减弱，而且厚极片容易造成锂离子脱嵌困难、极化增大、使锂离子电池在常温及低温下析锂、电池倍率性能变差等问题。

有鉴于此，确有必要提供一种能有效抑制石墨循环膨胀的锂离子电池负极，以提高锂离子电池的低温及倍率性能，以及包含该负极的锂离子电池。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种能有效抑制石墨循环膨胀的锂离子电池负极，以提高锂离子电池的低温及倍率性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下方案：

一种锂离子电池负极，包括负极集流体和涂敷在所述负极集流体上的负极活性物质层，所述的负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂以及粘结剂，所述的粘结剂为海藻酸盐，所述海藻酸盐为海藻酸钠和/或海藻酸钾，所述海藻酸盐包含的两种立体异构体L-古罗糖醛酸(G段)和D-甘露糖醛酸(M段)的比值G/M小于等于1.5，所述海藻酸盐包含的钙杂质小于等于0.3％。

若分子序列中G段含量太高，一方面，均聚的G段结构容易与钙杂质发生螯合作用，使得海藻酸链间结合紧密，协同作用更强，最终形成凝胶；另一方面，高G/M比的海藻酸钠(钾)成膜后脆性增强，极片加工比较困难；再者，高G/M比的海藻酸钠(钾)制备的极片阻抗高于低G/M比的海藻酸钠(钾)制备的极片，进而影响电池低温性能发挥。

作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述海藻酸盐占所述负极活性材料层总重量的重量百分比为0.5～10wt％。浆料配方中，若粘结剂添加量过少(质量分数小于0.5％)，会导致活性物质在浆料中分散效果差，制作的浆料稳定性较差，造成极片中的活性物质的分布不均匀，从而导致部分活性物质的过充与过放，进而影响到电池的循环性能；另外，粘结剂过少，极片粘结较差，极片制作过程中，负极活性物质层容易脱落。反之，若粘结剂添加量过多(质量分数大于10％)，粘结剂可能覆盖大部分活性物质表面，造成负极阻抗增大，电池充电过程中容易析锂，影响电池性能；另外粘结剂过多，极片较脆，无法采用卷绕形式完成电芯制作。

作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述海藻酸盐占所述负极活性材料层总重量的重量百分比为1～3wt％；

作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述海藻酸盐的弹性模量大于等于3GPa，否则其对石墨循环膨胀的抑制效果不明显。

作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述海藻酸盐的水溶液质量浓度为1％时，25℃下的粘度为50～1200mPa·s。若粘结剂粘度过高，制备浆料过程中固含量较低，造成极片干燥过程中负荷较大，浪费能源；而若粘度较低时，粘结剂用量会加大，影响电池性能。

作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述海藻酸盐的数均分子量为5万～100万。相关结果表明，分子量小，海藻酸钠(钾)的分子链较短，影响到海藻酸钠和海藻酸钾对石墨颗粒的包覆作用，进而弱化浆料的稳定性；而若分子量太大，则会导致海藻酸钠(钾)的溶解性变差，不易分散均匀。

作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述导电剂为导电炭黑、碳纤维、石墨烯和碳纳米管中的至少一种。