[发明专利]复合负极极片及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明涉及一种复合负极极片及其制备方法和锂离子电池，本发明的负极极片包括集流体金属‑金属锂复合基底，以及设置在所述集流体金属‑金属锂复合基底上的碳纤维‑含锂金属复合结构；所述碳纤维‑含锂金属复合结构包括质量比为1‑18:6的三维骨架以及填充于骨架空隙的含锂金属；所述三维骨架包括质量比为60‑80:10‑30:1‑5:0‑5的碳纤维、聚合物、表面活性剂和增韧剂。本发明的复合负极极片，通过在三维骨架中填充金属锂，得到了质量轻、强度高的复合负极极片，在大电流密度下更有利于金属锂的稳定均匀沉积，提高了SEI膜的完整均一性，改善了锂片粉化和死锂的情况，在一定程度上能抑制锂枝晶的生长，同时与电解质之间具有很好的界面性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种复合负极极片及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

近年来，随着电动汽车及高端便携式电子设备的飞速发展，人们对电池能量密度的要求不断提高，目前产业化以石墨为负极的锂离子电池已经很难满足日益提高的比能量的需求，于是具有高比容量的锂金属负极进入了研究者的视野。锂金属的比容量为3860mAh/g，电化学势为-3.04V(vs标准氢电极)，是一种非常理想的锂电池负极材料。要使用锂金属作为锂离子电池的负极材料，我们还需要克服以下几个难题：安全性和循环寿命。困扰锂金属负极的主要是锂枝晶的产生。第一，在循环过程中，由于锂离子在锂金属表面的不均匀沉积所导致的局部极化，使得锂金属表面生长锂枝晶，当锂枝晶生长到一定程度的时候就可能穿透隔膜，导致电池短路，从而引发安全问题。第二，如果锂枝晶发生断裂，就会形成“死锂”，造成电池容量损失。第三，在产业化应用的道路上，传统锂金属负极机械性能较差、不利于极耳的焊接和大电池的组装。

通过将锂金属封装在多孔导电载体的孔隙中，可以缓冲锂电极在循环过程中发生的体积变化，提高SEI膜的完整均一性，且这些载体具有很大的比表面积，因此大大降低了有效电流密度，从而减缓含锂金属枝晶的生长。然而，现有技术中三维载体材料往往具有很大的自重(如多孔铜箔、泡沫铜、泡沫镍等)，这大大增加了电极的重量，因此削弱了锂金属作为高比容量电极材料的优势。其次，由于锂金属性质活泼，极容易与电解质发生副反应，导致体系的整体性和兼容性变差，从而使全电池的循环恶化。

因此，亟待研究一种具有较强的抗应变力、抑制锂枝晶生长且利于稳定沉积的锂负极。

发明内容

本发明提供了一种复合负极极片，通过对负极极片的原料组成及结构进行设计，使得负极与电解质有着良好的界面相容性，有利于锂离子均匀沉积，一定程度上能够抑制锂枝晶的生长。

本发明还提供了上述复合负极极片的制备方法，工艺简单、操作方便，适合产业化应用。

本发明还提供了一种全固态锂离子电池，由上述复合负极极片组装得到，可抑制枝晶的产生，且能够有效的缓解电池在循环过程中的体积应变，循环寿命明显增加，大大提高了电池的循环稳定性能。

本发明提出的技术方案是：

第一方面，本发明提出一种复合负极极片，包括设置在集流体上的集流体金属-金属锂复合基底，以及设置在所述集流体金属-金属锂复合基底上的碳纤维-含锂金属复合结构；

所述碳纤维-含锂金属复合结构包括质量比为1-18:6的三维骨架以及填充于骨架空隙的含锂金属；

所述三维骨架包括质量比为60-80:10-30:1-5:0-5的碳纤维、聚合物、表面活性剂和增韧剂。

本发明的复合负极极片，通过在三维骨架中填充金属锂，得到了质量轻、强度高的复合负极极片，在大电流密度下更有利于金属锂的稳定均匀沉积，提高了SEI膜(固体电解质界面膜，solid electrolyte interphase)的完整均一性，改善了锂片粉化和死锂的情况，在一定程度上能抑制锂枝晶的生长，同时与电解质之间具有很好的界面性能。