[发明专利]用于高能电池的负极

说明书

本发明涉及包含负极材料、保护材料和集流体的负极。负极材料为包含活性材料、至少一种电子导电剂和至少一种粘结剂的混合物。活性材料可为锂硅合金或二氧化硅和锂的合金。本发明还涉及制备负极的方法。本发明进一步涉及负极在制造电池中的用途。

本申请是申请号为201480034854.X的发明专利申请的分案申请，原申请的申请日为2014年6月20日，发明名称为：用于高能电池的负极。

技术领域

本发明一般涉及用于高能电池的负极。更具体地，本发明涉及用于锂电池的负极，其包括负极材料、保护材料和集流体。

背景技术

基于锂离子可逆循环通过含有锂盐的电解液的电池是已知的。在这种类型的电池中，正极包括具有复合活性材料的集流体，复合活性材料一般包含允许锂离子在高压下可逆嵌入的活性材料、粘结剂、电子导电剂以及最终地离子导电剂。电解液为锂盐在液体溶剂、聚合物溶剂或聚合物凝胶中的溶液。而负极包含锂或基于锂的合金膜，或负极包含具有活性材料的集流体，该活性材料包含允许锂离子在低于正极的电压下可逆嵌入的化合物，例如碳、石墨、氧化物或硅。

电极材料中锂离子的可逆嵌入导致材料的体积变化。更具体地，在锂离子嵌入过程中发生体积增大并且在锂离子的脱嵌过程中发生体积减小。这种体积变化对电池具有负面的影响。例如，体积变化可导致在第一循环过程中在电极表面形成的钝化层的破裂，这可导致容量和/或电子导电性的损失。可通过基于原位扫描电子显微术(SEM)的研究评估这些负面影响。

体积变化的程度取决于材料。例如，对于两种仅在负极材料不同的电池，注意到，碳或石墨负极的体积变化相对低，通常低于10％，这限制破裂问题和由此引起的容量损失。相比之下，硅或基于硅的合金负极的体积变化显著更高，对于硅和锂合金为300％的数量级。这对于电池是有害的。然而，碳负极允许的最大容量为约370mAh/g，而Si-Li合金允许的最大容量高10倍。因此，Si-Li合金允许良好的最大容量，但导致材料在循环过程中高的体积变化。

存在对允许良好最大容量同时导致材料在循环过程中低体积变化的负极的需要。

发明内容

本发明人已开发了允许制造具有类似于Si-Li合金电池容量的电池的负极，并且其中在循环过程中体积变化保持低。

根据本发明负极包含负极材料、保护材料和集流体。负极材料包含活性材料、电子导电剂和粘结剂的混合物，活性材料为硅和锂或二氧化硅和锂的合金。集流体为金属箔。

在根据本发明的负极中，负极材料以膜的形式沉积在金属箔上，并且保护材料以膜的形式(保护膜)沉积在负极材料的膜上。在本发明的实施例中，负极可包含多于一种保护膜。

本发明还涉及制备负极的方法、制造电化学发电机的方法以及如此获得的电化学发电机。

根据本发明一方面，本发明提供如下内容：

(1)包含负极材料、保护材料和集流体的负极。

(2)根据项目(1)的负极，其中负极材料为包含活性材料、至少一种电子导电剂和粘结剂的混合物。

(3)根据项目(2)的负极，其中活性材料为硅和锂的合金或二氧化硅和锂的合金。

(4)根据项目(2)的负极，其中负极材料进一步包含天然或合成石墨。

(5)根据上述(1)的负极，其中保护材料包含至少一种电子导电剂和粘结剂。

(6)根据项目(2)或(5)的负极，其中负极材料中的电子导电剂和保护材料中的电子导电剂独立地包含至少一种电子导电碳。

(7)根据项目(6)的负极，其中电子导电碳选自：炭黑、乙炔黑、Showa-Denko出售的碳纤维如气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管和石墨烯。