[发明专利]一种网格状锂离子电池负极结构装置及其制备方法

说明书

本发明公开一种网格状锂离子电池负极结构装置及其制备方法，用于充放电循环中产生较大体积变化的含硅负极锂电池。该负极表面存在纵横交错的简单网格状凹槽，结构简单，制备容易。其网格状结构为负极体积变化提供的空间，降低了由变形产生的应力，从而降低了负极产生失效的风险。该负极结构保证负极容量大幅度提升的同时可以容纳较大的体积变化，从而延长高容量锂电池的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种网格状锂离子电池负极结构装置，属于电化学领域，并涉及到力学及结构应力优化领域。

背景技术

锂离子电池因其具有电压高、安全性能好、循环寿命长等优良的电化学性能以及绿色环保的特性而被越来越广泛地应用于航空航天、汽车、移动电子设备等各个领域。目前锂离子电池负极主要采用的活性材料为石墨，其理论容量为372mAh/g。随着锂离子电池的发展，高容量快充电池成为目前市场迫切的需求及研发的热点。硅、锗、锡等材料被证明具有相当高的容量(如硅负极的理论容量为4200mAh/g)，可作为负极材料用于制备大容量锂电池。但是研究表明，此类材料在进行充放电循环的过程中会产生非常大的体积变化(如纯硅会产生～300％的体积变化)，导致电极活性颗粒材料在自身膨胀收缩及周围颗粒挤压的情况下产生较大的应力及变形，在多次循环之后累积产生颗粒破碎、脱粘等情况，形成电化学孤岛而破坏电网络，使得电池的使用寿命下降。因此，解决该类大容量材料充放电循环中产生大体积变化的影响成为使其大量投入商用的关键。

为了解决硅等材料在电化学循环中的大体积变化，研究提出了一些解决方案。这些方案集中在微观层面的结构设计，包括：微观结构设计(核壳颗粒、蛋壳颗粒、微点阵结构等)、纳微观复合材料(表面生长碳纤维、碳硅复合纳米颗粒等)等，这些方案在一定程度上能够解决体积变化问题，其问题在于多数方法局限于实验室条件，无法应用于大量商用，成本过高。相较之下，从宏观层面进行结构设计的应用性更强。通过对负极活性物质表面进行结构设计，形成网格状凹槽，可以为颗粒膨胀提供空间，从而降低体积变化带了的机械退化效应，进一步地，提高电池的循环性能和使用寿命。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种网格状锂离子电池负极结构装置，提高锂离子电池的能量密度(能量密度等于电池容量乘以电压平台除以电池质量)，与目前石墨基锂离子电池相比，负极理论容量可从372mAh/g提升到500～800mAh/g、循环性能及使用寿命，推动硅、锗、锡等大容量负极材料其向商业化发展。

本发明采用的技术方案为：一种网格状锂离子电池负极结构装置，具备锂离子电池负极的基本组成成分，包括：集流体、负极活性物质、粘接剂和导电剂；其中负极活性物质、粘接剂及导电剂构成负极活性物质层，其中粘接剂和导电剂的总量与负极活性物质的质量比为0.5:99.5～20:80，优选2.5:97.5～6.5：93.5；负极活性物质层的厚度范围为30～50微米。

所述集流体为商用负极集流体材料，所述商用负极集流体材料包含铜箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔。

所述负极活性物质包括含硅、锗、锡、金属氧化物中的一种或几种混合的高容量复合活性颗粒，所述高容量范围为700～4000mAh/g。

所述粘接剂为商业常用粘接剂，优选聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂和羟甲基纤维素粘结剂中的一种或多种。

所述导电剂为商业常用导电剂，优选碳粉、石墨导电剂KS-6中的一种或多种。

所述负极结构适用于包括软包、方形、圆柱形各种商业常用锂电池构型，其尺寸根据不同电池型号决定。

所述负极结构活性物质层为集流体一侧或两侧均有。

所述活性物质层表面的网格状凹槽形式为包括方形网格状、菱形网格状、波纹网状、锯齿网状在内的任意网格状结构。

所述网格状凹槽深度与活性物质层厚度的比0.35～0.65，优选0.5；凹槽宽度与深度的比为1.2～1，优选1。