[发明专利]一种锂离子电池负极及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池自商业化推广以来，以其高能量密度、高工作电压、循环寿命长、无记忆效应、绿色环保和尺寸形状大小可根据实际需求灵活设计等诸多优点被广泛用作各种便携式电子电器的电源，这些广阔的应用领域及各种不同的实际需求极大地推动了锂离子电池的发展。

随着移动电子电器设备的高速发展，要求为这些轻薄便携功能强大的设备提供电源的锂离子电池具有更高的容量，由此需要开发比常规锂离子电池更高工作电压、更高能量密度和更长寿命的电池。这些性能的提升可通过改进涉及锂离子电池的材料和制造工艺而实现。目前，就锂离子电池材料方面大量的研究工作都集中在正极、负极、隔离膜和电解液等关键材料上。

锂离子电池性能主要取决于电极、电解液和其他辅助材料上。特别地，电极性质取决于电极活性材料、集流体以及在电极活性材料层与电极集流体之间和电极活性物质层内部颗粒之间提供粘结力的粘结剂。

粘结剂在负极活性材料之间，负极活性材料和导电剂之间，在负极活性材料、导电剂和金属集流体之间通过共价键或非共价键（范德华作用）的形式提供粘合力并参与负极活性物质表面SEI膜的构筑。在负极方面，当锂插入石墨等负极活性物质层间后，活性物质的体积发生膨胀，随着周期性的充放电，这种循环性的膨胀与收缩往复发生，粘结剂在这种周期性的过程中起到了以下两个主要作用：（1）粘结剂在负极极片体系内提供强的粘合力，电子和锂离子在电极中平稳迁移，保证电极的内阻处于较低的水平;（2）缓冲在充放电过程中产生的活性物质的体积变化，使得即使在膨胀和收缩后也能维持粘结剂的原始粘结力和电极内部结构。但粘结剂在负极极片体系内提供的非共价键（范德华作用）作用力会因为聚合物粘结剂在电解液浸泡下发生不同程度的溶胀现象而降低，当极片厚度增加或选用膨胀性更大的活性材料（硅、氧化硅等）时，由此会造成负极活性物质层的松散与脱落，进而使得锂离子脱嵌困难、极化增大、循环过程中的析锂、倍率性能变差和循环寿命降低等严重问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有材料性能的限制，而提供一种锂离子电池负极及锂离子电池，该锂离子电池负极能显著提高负极活性物质层与负极集流体之间以及负极活性物质层内部颗粒之间粘结力，提高负极活性物质层在电池长期循环过程中的结构稳定性，并降低电化学惰性的聚合物粘结剂的使用量，抑制电池在循环过程中的体积膨胀率，提高锂离子电池的低温、倍率、循环性能和能量密度。

为了达到上述目的，本发明提供一种锂离子电池负极，该技术方案如下： 一种锂离子电池负极，包括负极集流体和涂布于所述负极集流体的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂、聚合物增稠剂、水乳型聚合物粘结剂和水溶型聚合物粘结剂，所述水溶型聚合物粘结剂为聚乙烯亚胺，并且所述水乳型聚合物粘结剂和所述水溶型聚合物粘结剂的重量比率为10：90~90：10。

虽然聚乙烯亚胺的化学式可以用－［CH2CH2NH］－来代表，但含有一级、二级、三级支链的化学结构也同样可以使用。特别地，在其分子结构上，线型聚乙烯亚胺、支链型聚乙烯亚胺和超支化型聚乙烯亚胺都可用于本发明中。商品聚乙烯亚胺的结构可以是乙烯亚胺聚合物的带有支化的结构，通常是由乙烯亚胺的酸催化开环反应来制备的，其聚合物极易溶解或分散于水中。聚乙烯亚胺可以有500～1,000,000 g/mol甚至更高的分子量，但适用于本发明中，优选的典型重均分子量为5,000～500,000 g/mol。聚乙烯亚胺可以用酸质子化，在周围介质中形成一种聚乙烯亚胺盐，依赖于pH值而形成一种能部分或全部离解的产物，适用于本发明的聚乙烯亚胺5%浓度的水溶液的pH值应在9～12的范围内。

所述的水溶型聚合物粘结剂－聚乙烯亚胺，由于其分子结构上存在大量的极性基团，包括伯氨基、仲氨基和叔氨基，这些极性基团可以与负极集流体铜箔间形成配位键，与负极活性物质和导电剂表面上的极性基团（羧基、羟基）形成化学键或发生较强的分子间作用力－范德华力（诱导力、色散力、氢键力），从而在负极活性物质层与负极集流体之间以及负极活性物质层内部颗粒之间提供较强的粘合力，且由此形成的粘合力不容易在电解液的作用下受到破坏而影响粘结效果。此外这些给电子能力很强的极性基团有助于增加锂盐的离解作用并与锂阳离子发生络合，并且聚乙烯亚胺具有较低的玻璃化转变温度，其分子链段具有足够的柔顺性，可以有助于提高锂离子在电极内部的传导。