[发明专利]非均匀锂离子电池负极片及锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体提供一种非均匀锂离子电池负极片、锂离子电池。所述非均匀锂离子电池负极片，包括负极集流体以及附着于所述负极集流体表面的负极活性材料层，所述负极活性材料层中含有在锂化和脱锂过程中体积发生变化的合金型负极活性材料，且自所述负极集流体表面向外，所述合金型负极活性材料的含量逐渐增多。本发明的负极片结构能够有效减轻锂化和脱锂过程中合金型负极活性材料巨大的体积变化对电池性能的负面影响，从而改善锂离子电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种非均匀锂离子电池负极片及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池(LIBs)于20世纪60年代发明，并于1990年开始商业化。当前，用于锂离子电池的活性负极材料是理论容量仅为372mAh/g的石墨，而每单位质量或体积可存储在电极材料中的锂离子量通常被活性物质的理论比容量所限制。因此，高容量锂离子电池负极材料的研究与应用已成为提高电池性能的关键。在理论上，一些可以与锂组成合金系统的金属或类金属都可作为锂离子电池负极材料。这些负极材料统称为合金型负极活性材料。与传统的石墨负极相比，合金型负极活性材料由于其具有更高的锂离子存储容量和更低的贮锂电位而被广泛研究。在已知的合金型负极活性材料中，硅因其具有4200mAh/g的超高理论质量比容量、低脱锂电位、地壳含量丰富、低成本等特点而被认为可以作为下一代锂离子电池极的负极材料。然而，超高理论比容量的硅基锂离子电池的使用寿命却比碳基锂离子电池的寿命更短。其主要原因归因于在锂化和脱锂过程中，硅颗粒巨大的体积变化，经常达到300～400％，导致电极材料发生破裂、粉碎以及和粘合剂和导电剂脱离。随着负极材料微裂纹的出现，更多的硅与电解质接触并发生反应，形成固体电解质相(SEI膜)层。由于在锂化和脱锂过程中，硅颗粒的循环体积变化，SEI膜层反复破裂和再次形成，不断的消耗硅和电解质，导致锂离子电池容量发生衰减。同样的巨大的体积变化问题也出现在多数活性材料中，例如锡基负极材料(包括锡基氧化物、锡基复合氧化物、锡基合金和锡基复合物4类)的体积变化可达300％。为了延长锂离子电池的使用寿命，保持其高容量的优点，以硅基锂离子电池为例，人们发展了以下技术：

(1)通过施加碳包覆外涂层来抑制锂化和脱锂过程中硅颗粒的体积变化。然而这种策略的应用有限，原因在于有研究表面碳包覆会促进而不是抑制锂化器件硅颗粒的断裂。

(2)采用中空结构，如多孔硅或卵黄-壳结构(yolk-shell structured)的硅，以适应锂化引起的体积变化。这种方法需要复杂的制造工艺，目前仅在实验室可以生产，并不适用于工业化的大规模批量生产。

(3)将整体的负极材料分成许多较小的离散负极材料，从而降低硅颗粒在循环过程中巨大的体积变化所带来的影响。但是这种方法会大大降低锂离子电池中硅的负载量，不利于电池的应用。

(4)改变集流体的表面形貌，从而改善电极材料与集流体的界面粘结强度，使电极材料不会与集流体分层。这种技术制造工艺复杂，生产成本高昂，同样不利于工业化生产。

综上，无论是硅基锂离子电池还是锡基锂离子电池，均未能够提出一种有效抑制体积膨胀对锂离子电池使用寿命的影响。

发明内容

针对目前硅基锂离子电池或锡基锂离子电池在使用过程中容量衰减快速、循环性能差以及硅或锡负载量低且难以提升等问题，本发明提供一种非均匀锂离子电池负极片。

进一步地，本发明还提供以本发明非均匀锂离子电池负极片作为负极的锂离子电池。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种非均匀锂离子电池负极片，包括负极集流体以及附着于所述负极集流体表面的负极活性材料层，所述负极活性材料层中含有在锂化和脱锂过程中体积发生变化的合金型负极活性材料，且自所述负极集流体表面向外，所述合金型负极活性材料的含量逐渐增加。