[发明专利]一种锂离子电池的含硅负极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极及其制备方法，具体的说，涉及一种锂离子电池的含硅负极及其制备方法和使用该硅负极的锂离子二次电池。

背景技术

自从Sony公司在1991年发明基于锂离子电池的移动电话以来，锂离子电池对整个人类社会的发展起到了非常重要的作用。如今，基于锂离子电池的智能手机、平板电脑、蓝牙耳机、智能手表等新型电子产品也不断地影响着人们的日常生活。锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、集流体、极耳、外壳等部分所组成。其中主要影响电池容量和能量的部分在于电池的正负极材料。随着现在电子产品的不断更新换代，为了达到更多的工作时间，人们对锂离子电池的能量密度的要求越来越高。目前阶段锂离子电池中石墨负极的容量利用率基本上已到达其上限值(372mAh/g)。如要更大程度的发挥负极在全电池中的作用，需要利用更高比容量的负极材料才能实现。

硅(Si)作为负极材料时，由于在相同原子数时能够嵌入更多的锂离子形成硅锂合金(Si+4.4e^-+4.4Li⁺→Li_4.4Si)，其理论容量高达4200mAh/g，超过目前商品化石墨的十倍。同时，硅在地壳中的含量仅次于氧(O)，约占总质量的26.4%。因此硅在锂离子电池负极材料中具有非常大的应用前景。具体可以参考文献：Nature Nanotech.,3(2008),31;Nano Lett.,11(2011),2949;Scientific Reports,3(2013),1919等。

然而，由于硅材料本身的物理化学特性，在用于锂离子电池负极材料时也存在一些问题：首先，硅的首次充放电效率偏低，通常为60～70%；其次，硅在充放电时嵌脱更多锂离子的同时伴随着更大的体积膨胀和收缩(最高可达300%)，不断的体积变化对电池的循环性能的稳定性具有一定影响。以上问题一直限制了纯硅材料用在锂离子电池负极材料中。

本发明所涉及的一种锂离子电池的含硅负极综合传统碳基材料与硅基材料各自的优点，将碳基粉末与含硅粉末均匀混合后得到的锂离子电池负极极片具有容量高、效率高、膨胀小、循环性能好的特性，能够真正实现含硅负极在锂离子电池领域的规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于锂离子电池的高容量含硅电极，它具有容量高，效率高和循环性能好的优异特性。

本发明的再一个目的是提供一种以低成本和高产率的方式制备用于锂离子电池负极材料的制备方法。

为了能达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种锂离子电池的含硅负极，包含：(1)活性材料；(2)增稠剂；(3)粘结剂，所述活性材料是由碳基粉末和含硅粉末组成的混合物，所述碳基粉末占含硅负极总量的93wt%～98wt%，所述含硅粉末占含硅负极总量的0wt%～5wt%，但不包括0%；所述碳基粉末与含硅粉末的平均粒径D50之比在3.0～96.9的范围内。

所述碳基粉末选自天然石墨、人造石墨、表面改性的天然石墨、硬碳、软碳或者中间相炭微球中的一种或其中几种的任意组合；所述碳基粉末的平均粒径D50为8.9～25.2微米。

所述含硅粉末为多晶硅粉、非晶硅粉、氧化亚硅(SiO_x)粉末、硅基合金粉末或硅碳复合结构粉末中的一种或其中几种的任意组合；所述含硅粉末的平均粒径D50为0.26～8.4微米。

对于选定纳米或者微米级的含硅粉末，其形态的不同仍然可以得到相同或相似的效果，所以，所述多晶硅粉可以为微米/纳米级颗粒状、线状，棒状或片状，所述非晶硅粉为微米级非晶硅棒，也可以选择其它微米/纳米级粉颗粒状、棒状、片状或空心球状非晶硅，所述氧化亚硅为微米/纳米级颗粒状、线状、棒状或片状，所述硅基合金粉末形态为微米/纳米级颗粒状、线状、棒状或片状。

由于硅与某些特定金属元素形成合金后还能够自由的脱嵌锂离子，所述硅基合金粉末可以为含有不同金属元素的合金化合物，优选为含有一定量锡、锗、钛、镍、铁、钴、铜或铟元素的合金化合物。