[发明专利]一种锂离子电池负极及其锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特指一种锂离子电池负极及其锂离子电池。

背景枝术

与其它二次电池相比，锂离子电池具有能量密度高、寿命长、无记忆效应等优异特点，被广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式消费电子产品。近年来，各种电子产品小型化、智能化和功能多样化的快速发展对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。目前，锂离子电池主要以过渡族金属氧化(钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、膦酸鉄锂等)为正极活性物质，碳材料为负极活性物质，该体系的能量密度已趋于极限，难以得到进一步的提升。与碳材料相比，合金材料 (Sn基合金、Si基合金、Sn-C复合物、Si-C复合物等) 具有很高的克容量(石墨：372mAh/g，Sn：992mAh/g, Si：4200 mAh/g)；从材料角度讲，使用合金负极是提高锂离子电池能量密度的最有效途径之一。然而，合金负极在脱嵌锂过程中体积变化大，颗粒在巨大的应力下容易破裂粉碎，导致电性能急剧降低；通过降低合金材料颗粒尺寸，并且将合金材料与碳材料混合，可以有效缓解该问题；另一方面，合金负极的首次充放电效率很低，锂离子不可逆损失大；在目前的锂离子电池中，正极材料是电池中活性锂离子的唯一来源，使用首次效率低的合金负极材料，在首次充电过程中消耗大量的活性锂离子，需要更多的正极材料来提供锂离子，从而严重影响电芯的能量密度；计算表明，以纳米Si颗粒为负极的锂离子能量密度与以石墨为负极的锂离子电池并没有显著提升。

专利CN 102630355A提出在含硅负极中添加金属锂，可以提供除正极材料外的另一个锂源，补充活性锂离子在首次充电过程中的不可逆损失。实验表明，当在负极中添加金属锂，注入电解液后，由于金属锂与负极之间同时电子和离子导通，大量的锂离子会快速嵌入负极材料；当负极中含有碳材料时，由于金属锂与碳材料的反应电位在SEI膜成膜电位以下，过快的锂离子与碳材料反应导致碳材料表面不能形成稳定的SEI，甚至发生严重的PC共嵌，从而严重影响电芯的存储和循环等关键性能。

专利US 8216719B2提出，在金属锂与阳极活性物质之间涂覆一层含氧化物、氮化物等的非活性层，可以有效降低金属锂与阳极活性物质的反应速率。然而，该方法在电芯中引入非活性层，在降低电芯能量密度的同时影响电芯的充放电倍率性能；非活性层的导离子性差，金属锂在其表面容易形成“死锂”，降低使用效率，并带来安全风险。鉴于以上技术的局限性，有必要开发一种简易可行的方法，可以有效降低金属锂与负极的反应速度，且不带来上述负面影响。

发明内容

本发明目的在于：提供一种锂离子电池负极，使其通过简单可行的方法，有效控制金属锂与负极直接接触时的反应速度，且不降低电芯能量密度、倍率和安全性能。

为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种锂离子电池负极，包括混合活性层和锂金属层，所述的混合活性层由碳材料与合金材料混合而成，其特征在于：锂金属层与混合活性层之间设置有活性缓冲层，所述活性缓冲层的活性物质是Li₄Ti₅O₁₂或LiMS₂，其中M为过渡族金属。

其中，活性缓冲层含有具有良好的存储和传导锂离子的能力，及与锂的反应电位在电解液溶剂还原分解电位以上的缓冲活性物质。

活性缓冲层中除含有具有上述特性的缓冲活性物质外，还可以含有增强导电子性能的导电剂，如导电炭黑、碳纤维等；还可以含有起粘结作用的粘结剂丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚偏四氟乙烯等。

其中，缓冲活性物质与锂的反应电位大于0.8V，更优选为大于1.0V。

活性缓冲层避免了混合活性层与锂金属层的直接接触，降低了混合活性层与锂的反应速率；具有良好的导锂离子性能，锂离子可以通过缓冲层扩散到混合活性层表面，降低金属锂残存在阳极表面形成死锂的风险；活性缓冲层与金属锂的反应电位在电解液溶剂的还原分解电位以上，既可以减少电解液的分解，又可以起到控制混合活性层表面电位的作用，从而有利于混合活性层中良好SEI膜的形成。本发明中的缓冲缓冲层还可以作为负极活性物质的一部分，参与锂离子的存储，从而提高电池的能量密度。

作为本发明锂离子电池负极的进一步改进，活性缓冲层厚度为1～10um。

作为本发明锂离子电池负极的进一步改进，活性缓冲层厚度为2～5um。