[发明专利]电池负电极及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明提供了一种电池负电极及其制备方法和锂离子电池。本发明电池负电极包括负极集流体和形成于所述集流体表面的负极活性层，所述负极活性层中含有硅基负极材料、含有羧基基团的粘结剂和含有石墨烯的导电剂，且所述有机物粘结剂通过其所含的羧基基团与石墨烯和硅基负极材料所含的羟基交联形成的酯基，酯基将粘结剂、石墨烯和硅基负极材料连接形成一个整体网络。本发明电池负电极具有高的结构完整性及稳定的导电性以及具有高的循环寿命和比容量。该方法工艺条件可控，制备的电池负电极性能稳定，而且生产效率高，降低了生产成本。本发明锂离子电池含有电池负电极，其比容量稳定，使用寿命长，且安全性能高。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种电池负极及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池以其高电压、高能量密度和长循环寿命等优异性能而被广泛应用于手机和笔记本电池、动力电池及储能电池等。其中手机和笔记本电池已完全被锂离子电池占据，其他种类的电池根本无法达到这些便携式智能设备的严苛要求。随着锂离子电池技术发展，其在动力电池储能电池中所占的比例也越来越大，从目前的发展趋势而言，锂离子电池正处于一个飞速发展阶段，应用前景广阔。

随着智能手机和笔记本电脑的轻薄化、多功能化和屏幕的加大，现有的锂离子电池同样难以满足消费类电子产品对电池日益苛刻的要求，迫切需要新型技术来有效提高锂离子电池的比能量。锂离子电池通常包括负极、隔膜、电解液、正极等四大关键材料及其他辅助材料。而四大关键材料中，负极和正极是其核心材料，负极和正极材料的比容量和嵌脱锂电压决定了锂离子电池的比能量。目前锂离子电池常用的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元及磷酸铁锂，比容量在100～200mAh/g之间；常用的负极材料为碳类负极材料，比容量在250～360mAh/g之间。锂离子电池比能量的提高目前主要受限于正极材料的比容量，经过各国科学家二十多年的努力，尽管开发出比容量达到200～300mAh/g的固溶体正极材料，但由于尚未克服其固有缺陷，暂时无法商用，商用的正极材料的比容量仍然低于200mAh/g。

在正极材料比容量提升受阻的情况下，提高负极材料的比容量是提高电池比能量的有效途径之一。目前商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，由于石墨的理论嵌锂容量仅为372mAh/g，且实际应用的材料已达到360mAh/g，因此该类材料在容量上几乎已无提升空间。为了提高锂离子电池的比能量，各种新型的高比容量和高倍率性能的负极材料被开发出来，包括硅基、锡基、纳米碳材料及金属氧化物，其中硅基负极材料由于具有最高的质量比容量和较低的电压平台(硅的理论比容量为4200mAh/g，脱锂平台电压为0.4V)而成为研究热点，然而，硅基负极材料在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，导致电活性物质的粉化脱落和固体电解质膜(solid electrolyte interphase,SEI膜)的不断形成，直接导致比容量快速衰减且充放电效率低等问题。

针对硅基负极材料的上述问题，优化硅基负极材料本身的微观结构固然是一种根本性的解决方法，除此之外，优化粘结剂的种类和特性也是一种非常有效地辅助方法。常用的粘结剂如聚偏氟乙烯(PVDF)因为粘结强度低、力学性能差及与硅基负极材料的结合力低等原因而不适用于硅基负极材料。

在锂离子电池的极片中，除了有活性物质、粘结剂之外还有一种很重要的添加剂——导电剂，通常为乙炔黑。乙炔黑为20～50nm颗粒状炭黑，由于为颗粒状，在制浆过程中分散均匀，浆料涂布干燥后，乙炔黑会在极片中形成一个三维导电网络，是电子传输的主要通道。但由于乙炔黑是颗粒状，颗粒之间的接触点多且接触电阻较大，并且颗粒之间仅靠分子间力吸附在一起，较脆弱。这种导电网络用于硅基负极材料时，由于硅基负极材料在嵌脱锂过程中伴随着巨大的体积变化，容易导致极片中的导电网络与硅颗粒接触电阻变大，导电网络本身也在反复的体积膨胀与收缩循环中瓦解，致使电子传输阻力变大，最终体现为极片比容量的快速衰减。