[发明专利]负极材料、负极片和电池

说明书

本发明涉及电池领域，具体涉及负极材料、包含该负极材料的负极片和包含该负极材料的电池。所述负极材料包括MOF@碳复合材料和硅基材料。本发明的负极材料具有良好的柔性和可伸缩性能，不仅能够缓解电池充电过程中负极材料膨胀的问题，还能够在电池放电收缩过程中使得负极始终保持良好的电接触。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及负极材料、包含该负极材料的负极片和包含该负极材料的电池。

背景技术

能源危机与环境污染共同威胁着人类社会的生存和发展，新型的能源开发迫在眉睫，电池等储能器件充当着能量储存与释放的重要角色而成为了新型能源关注的焦点，其中锂离子电池因为具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染以及自放电率小等优点最受关注。

在电池材料的发展中，负极材料受到了极大的关注和研究，商用石墨负极的理论比容量是372mAhg^-1，而硅的理论比容量达到4200mAhg^-1。新型负极材料能够带来十倍以上的容量提升，但也带来巨大的体积变化，例如硅在完全嵌锂后体积膨胀可达到300％以上，使得负极材料发生粉化破坏，导致容量在循环过程中急剧衰减。当前针对硅负极和其它体积膨胀严重的负极材料，主要从电极活性材料的结构上设计空隙或者利用疏松的碳导电材料来提供体积膨胀的空间。金属-有机骨架材料(MOF)由于具有易于与其它杂原子或金属及金属氧化物功能化等优点，在解决负极材料的膨胀问题中具有潜在价值。有现有技术利用MOF对硅材料/碳材料/硅碳复合材料进行改性作为负极材料使用，但是，存在以下问题：当负极材料嵌锂时，MOF并不能够完全缓冲负极材料的体积膨胀，过度的体积膨胀直接导致MOF骨架坍塌，使得形成的锂离子电池结构不良；当负极材料脱锂时，MOF疏松的孔隙导致负极在工作过程中不易始终保持良好的电接触。

因此，需要发现一种容量大且体积膨胀率小的负极材料是十分重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种负极材料、包含该负极材料的负极片和包含该负极材料的电池。本发明的负极材料具有良好的柔性和可伸缩性能，不仅能够缓解电池充电过程中负极材料膨胀的问题，还能够在电池放电收缩过程中使得负极始终保持良好的电接触。

本发明的发明人发现，使用具有柔性骨架结构的MOF对碳材料进行改性处理，能够有效地缓解负极材料的膨胀并且能够在负极工作过程中始终保持良好的电接触，其原因可能在于：具有柔性骨架的MOF能够发生大幅度的可逆形变，即在周围环境因素(如温度、压力等)的刺激下，其骨架结构会在“大孔”和“窄孔”两种形态之间进行转变，相应地其晶胞体积也随之发生大幅变化。在初始状态下，具有柔性骨架结构的MOF以“大孔”形态存在，在充电过程中，锂离子嵌入负极，负极的体积膨胀，此时外界压力增大，在压力的刺激下，具有柔性骨架的MOF从“大孔”形态转变为“小孔”形态，其晶胞体积大幅减小，具有柔性骨架的MOF所减小的体积能够与负极膨胀的体积相抵消，使得总体上负极体积变化不大；在放电过程中，锂离子脱出负极，负极的体积收缩，此时，外界压力恢复正常，具有柔性骨架的MOF从“小孔”形态转变为“大孔”形态，其晶胞体积恢复初始状态，在电池放电过程中，负极体积始终变化不大，使得负极始终保持良好的电接触。

本发明第一方面提供了一种负极材料，所述负极材料包括MOF@碳复合材料和硅基材料。

本发明第二方面提供了一种负极片，所述负极片包括本发明第一方面所述的负极材料。

本发明第三方面提供了一种电池，所述电池包括本发明第一方面所述的负极材料和/或本发明第二方面所述的负极片。

通过上述技术方案，本发明与现有技术相比至少具有以下优势：

(1)本发明的负极材料包括MOF@碳复合材料和硅基材料，该MOF@碳复合材料具有柔性骨架结构，具有良好的可伸缩性能，使得负极材料不仅能够在电池充电过程中缓解负极的体积膨胀，还能够提供较多的锂离子嵌入和脱出的活性位点；