[发明专利]复合负极及其制备方法、包括复合负极的碱金属电池

说明书

本发明公开了复合负极及其制备方法、包括复合负极的碱金属电池。根据一示例性实施例，一种用于碱金属电池的复合负极可包括：集流体；以及形成在所述集流体上的复合负极活性层，所述复合负极活性层包括至少两种不同的负极活性材料，并且具有20％至90％的孔隙率。本发明的复合负极可以减少或防止表面碱金属析出与枝晶生长现象，从而有效地提升碱金属电池的安全性、能量密度和在大电流密度下的工作性能。

技术领域

本发明总体上涉及电化学储能器件与新能源领域，更特别地，涉及一种用于碱金属(锂、钠、钾)电池的复合负极及其制备方法、以及包括该复合负极的碱金属电池。

背景技术

以锂离子电池为代表的目前商业化及正在研发中的碱金属电池中使用的负极活性材料主要包括各种碳材料(例如人造石墨、天然石墨、人造中间相碳微球、软碳、硬碳等)和含硅负极(例如氧化亚硅、硅碳复合负极等) 材料等。与碳材料相比，硅基负极材料具有更高的理论比容量(4200mAh/g)，同时具有相对低的电极电位(vs Li/Li+)，因此具有很大的应用潜力。但是，硅基负极材料也有一些缺陷，例如在充放电过程中存在较大的体积膨胀，而且首周库伦效率不高。为了提升电池的能量密度，研究人员正在尝试使用硅碳复合材料作为电池的负极活性材料，与纯硅负极及氧化亚硅等负极活性材料相比，首周库伦效率和体积膨胀都取得了显著的改善。使用这类复合负极活性材料在一定程度上提升了现有锂离子电池的能量密度，但是仍存在进一步提升电池能量密度，同时兼顾工况循环特性，并且延长服役寿命的需要。

为了进一步提升电池的能量密度，金属锂及锂合金负极是未来的发展方向之一。金属锂具有高的理论比容量(3860mAh/g)，同时具有非常低的标准电极电位(-3.04V)，应用潜力巨大。但纯金属锂负极及锂合金负极存在显著的缺陷，主要是使用金属锂负极的锂电池在充放电过程中存在严重的锂粉化、锂枝晶生长等现象，而使用锂合金负极的电池同样存在粉化及锂偏析聚集等问题，这一现象在大倍率/大电流密度下更为突出。由于锂离子在负极侧主要是在一个有限的表面进行沉积和脱出，耐受大电流(单位面积电流较大)性能较差，因此要实现使用纯金属锂和锂合金负极的电池的实际应用，仍需要克服许多问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种用于碱金属(锂、钠、钾)电池的高孔隙率复合负极及其制备方法，其可以减少或防止表面碱金属析出与枝晶生长现象，从而有效地提升碱金属电池的安全性、能量密度和在大电流密度下的工作性能。

本发明的另一方面在于提供包括上述复合负极的碱金属电池。

根据一示例性实施例，一种用于碱金属电池的复合负极可包括：集流体；以及形成在所述集流体上的复合负极活性层，所述复合负极活性层包括至少两种不同的负极活性材料，并且具有20％至90％的孔隙率。

在一些示例中，所述复合负极活性层具有25％至60％的孔隙率。

在一些示例中，所述复合负极活性层具有30％至50％的孔隙率。

在一些示例中，所述至少两种不同的负极活性材料中的每种的质量占所述复合负极活性层的有效电极总质量的1％至99％。

在一些示例中，所述至少两种不同的负极活性材料选自包括如下材料的组：金属锂、锂合金、金属钠、钠合金、金属钾、钾合金、天然石墨、人造石墨、人造中间相碳微球、硬碳、软碳、钛酸锂、氧化亚硅、硅、硅碳复合物负极材料、含锡负极材料、过渡金属化合物负极材料A_xB_y，其中A为Ti、 V、Cr、Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Zn、Ru或Mo，B为F、O、S或N，x和 y是正整数。

在一些示例中，所述至少两种不同的负极活性材料选自钛酸锂、软碳和硬碳。

在一些示例中，所述复合负极还包括：界面层，设置在所述集流体与所述复合负极活性层之间以改善二者之间的导电性。

在一些示例中，所述界面层包括石墨烯。