[发明专利]全电池及基于全电池的硅基材料本征循环稳定性评价方法

说明书

本发明公开了一种“背对背”结构的全电池，包括背对背的2个扣式半电池以及位于2个扣式半电池背与背之间的参比电极极耳，本发明的全电池能够模拟硅基负极材料在全电池中的工作模式，同时，在全电池内部存在过量锂源，能够实现循环过程中活性锂的实时补偿，剔除活性锂损失对硅基电池循环性能的影响，另外，通过在电池中间引出参比电极极耳，可以原位监测循环过程中正、负极对锂的电位变化，单独研究硅基负极材料在充放电过程中的本征稳定性；本发明还公开了一种基于全电池的硅基材料本征循环稳定性的评价方法，制备方法简单，试验周期短，能够实现硅基材料循环稳定性的快速评价。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种全电池及基于全电池的硅基材料本征循环稳定性评价方法。

背景技术

能量密度是锂离子电池永恒的主题，受限于传统正负极材料体系，锂离子电池的能量密度已达瓶颈，急需开发更高容量的正负极材料。近年来，以硅(Si)为核心开发出来的一系列衍生负极材料(以下简称硅基材料)被认为是下一代高比能锂离子电池的首选负极材料，Si最多可与Li形成Li₂₂Si₅合金，对应理论容量高达4200mAh/g，是目前已知材料中理论容量最大的，而且硅的电压平台高于石墨，在充放电时负极不易析锂。但是，首次库伦效率低和体积膨胀严重是硅基材料的致命缺陷，这会造成大量活性锂的消耗和严重的界面副反应，体积效应极易引起硅颗粒开裂、粉化，相互失去电接触，进而导致电池容量急剧下降，严重影响锂离子电池的循环性能。因此，国内外研究学者采用了硅纳米化、表面碳包覆、掺杂改性、制备氧化亚硅等多种方法，缓解硅基材料的体积膨胀，改善材料循环稳定性。

目前，针对硅基材料电化学性能的评价方法主要有两种：(1)扣式半电池，采用金属锂片为对电极；(2)全电池，采用正极为对电极。其中，第一种方法虽然操作简单、试验周期短，可以忽略活性锂损耗、电解液损耗等对硅基材料的劣化影响，评价材料本征循环稳定性，但是由于硅基负极材料在半电池和全电池中的工作电压区间不同，无法获知材料在电池实际工作区间的性能；第二种方法制作工艺相对复杂，研制周期较长，不便于硅基材料电性能的快速评价，且无法忽略电解液、正极有限锂源等因素对电池性能的影响。因此，需要一种基于全电池的硅基材料本征循环稳定性的评价方法，可以忽略电解液、活性锂源等其它因素的影响，对硅基材料在全电池工作时的本征电化学性能实现快速评价，大幅缩短硅基材料的研制周期，同时为硅基体系锂离子电池的研制提供一种快速有效的负极材料评价和筛选方法。

中国发明专利申请(公布号：CN102157731B)公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法，采用金属锂片为对电极，对该多孔硅为基体、碳为包覆层制备得到的硅碳复合负极材料进行了容量、倍率和40周循环性能评测，认为该材料的电化学性能优于传统技术制备的硅碳复合材料。该发明用到的材料评价方法操作简单，但无法获知硅碳复合材料在全电池中的性能表现。

中国发明专利申请(公布号：CN102694200B)公开了一种硅基负极锂离子电池及其制造方法，采用石墨涂层和硅碳涂层复合的多层结构极片为负极，过渡金属嵌锂氧化物或磷酸盐材料为正极活性物质，制备硅基负极锂离子电池，其能量密度比传统石墨负极锂离子电池高出20％以上，0.5C循环500次后的容量保持率为83％。该发明用到的硅基负极评测方法制作工艺复杂，且无法剔除电解液和正极对电池循环性能的影响，无法单独获知硅基负极在全电池中的本征循环稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种“背对背”结构的全电池，包括背对背的2个扣式半电池以及位于2个扣式半电池背与背之间的参比电极极耳，本发明的全电池能够模拟硅基负极材料在全电池中的工作模式，同时，在全电池内部存在过量锂源，能够实现循环过程中活性锂的实时补偿，剔除活性锂损失对硅基电池循环性能的影响，另外，通过在电池中间引出参比电极极耳，可以原位监测循环过程中正、负极对锂的电位变化，单独研究硅基负极材料在充放电过程中的本征稳定性；本发明还提供了一种基于全电池的硅基材料本征循环稳定性的评价方法，制备方法简单，试验周期短，能够实现硅基材料循环稳定性的快速评价。