一种高容量密度锂离子电池负极制造技术

本发明专利技术涉及一种高容量密度锂离子电池负极，所述负极包括具有表面修饰的硅颗粒、可以形成导电网络的碳导电剂、具有高拉伸强度和高弹性形变特性的有机高分子粘结剂以及利于电子传导的集流体基底。此负极的容量大幅提升，同时压实密度并没有比传统石墨负极降低太多，因此具备高容量密度的特性；将此负极应用在锂离子电池中，可以得到高能量密度的锂离子电池。本发明专利技术的锂离子负极的制备采用目前锂电池行业内工业化生产中的常用手段和工艺，方法简单、高效、低成本，能够真正实现高容量密度锂离子电池负极的商品化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种高容量密度锂离子电池负极
本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种高容量密度锂离子电池负极。
技术介绍
近些年来，随着传统化石能源的逐渐消耗以及日益严重的全球性气候变暖问题，人们越来越意识到新能源在未来社会当中的重要性。在所有的新能源体系中，太阳能、风能、水能、核能等并不具备便利的移动性；而锂离子电池，作为一种轻便的能量存储形式，在实际应用中具有其特定的不可替代性从而被广泛应用。2017年，在中国国家发改委表示将在2030年停售国内的传统燃油汽车之前，已经有多个国家宣布全面禁售燃油车时间表：英国、法国将全面禁售传统柴汽油车目标时间定于2040年，德国和印度则将目标定于2030年，荷兰、挪威更是预计在2025年禁售。世界传统汽车豪强如奔驰、宝马、大众、保时捷、奥迪、别克、沃尔沃等纷纷发布了各公司在电动汽车方面的规划路线与生产计划。与此同时，国内车企长安汽车也挺身而出，为自己的新能源战略制定出一个具体的时间表，即长安汽车将于2025年停售传统燃油汽车。由此可见，尽管燃油发动机在未来的一段时间内还会继续存在，但新能源汽车将逐渐成为主角的趋势是无法更改的。虽然新能源汽车逐渐成为主角的趋势无法改变，但是人们还是清醒地意识到，相比于传统燃油车的动力系统(发动机、变速箱、油箱、传动轴)，纯电动汽车的动力系统(电池、电动机、电缆线束)的能量密度仍远远不能满足目前的需求。因此，根据国家发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，到2020年，动力电池单体比能量需要达到300瓦时/公斤以上，力争实现350瓦时/公斤，系统比能量力争达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下。到2025年，动力电池系统比能量达到350瓦时/公斤。与此同时，国家工信部发布了《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017版)》的通告，其中涉及新能源领域的新材料有4项，包括负极材料、镍钴锰酸锂三元材料、高性能锂电池隔膜和高纯晶态六氟磷酸锂材料。其中，《目录》对负极材料(硅碳负极材料)也有一些明确的规定：低比容量(<600mAh/g)，压实密度>1.5g/cm3，循环寿命>300圈(80％，1C)；高比容量(>600mAh/g)，压实密度>1.3g/cm3，循环寿命>100圈(80％，0.5C)。以上说明硅材料、尤其是高容量的硅材料对电池能量密度的贡献是非常有潜力的。硅负极材料具有其它负极材料无法比拟的高容量优势(Li22Si5，常温下理论储锂容量为3600mAh/g)，是目前商业化石墨负极材料理论容量的10倍左右。但是，由于硅是半导体，其电子导电性略差，因此人们想到在现有的纯石墨负极体系中添加少量的硅材料，既提升容量同时也不影响电极的电子传输性质。然而，由于石墨和硅材料的电子态分布的天然特性，使得石墨掺混硅负极体系在嵌锂时(对应电池的充电过程)锂离子会优先嵌入硅晶格中形成锂硅合金，而后嵌入石墨晶格形成锂碳合金。因此造成的后果就是硅在完全嵌脱锂过程中存在严重的体积效应，体积变化率约为400％，易造成电极材料粉化以及电极材料与集流体分离，使得硅材料在电池的循环前期即大部分失去电化学活性；另外，由于充放电过程中的体积效应，导致硅材料表面形成的固态电解质界面(SEI)保护层不断地破裂并使新鲜的硅表面重复暴露在电解液当中，因此会持续消耗电解液以生成新的SEI膜，对电池的循环性能造成不利影响。虽然人们又想到很多种用硅和碳材料或者石墨材料进行复合的结构，依然不能很好地解决以上难题。综上所述，硅负极材料在与石墨材料掺混后想要提升能量密度并同时满足商品化条件，并非易事。
技术实现思路
本专利技术提供了一种高容量密度锂离子电池负极，突破常规的以硅材料作为电极的主要组成物，完全取代传统石墨材料，得到高能量密度的锂离子电池且能够适用于大规模商业化生产。为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种高容量密度锂离子电池负极，所述负极包括具有表面修饰的硅颗粒、可以形成导电网络的碳导电剂、具有高拉伸强度和高弹性形变特性的有机高分子粘结剂以及利于电子传导的集流体基底；所述具有表面修饰的硅颗粒在电极中的质量分数为80％-96％，所述可以形成导电网络的碳导电剂在电极中的质量分数为0.8％-6％，所述高拉伸强度及高弹性形变特性的有机高分子粘结剂在电极中的质量分数为3％-15％；其中，所述负极的孔隙率为35％-50％。其中，所述负极的容量密度≥780mAh/cm3；进一步的，所述具有表面修饰的硅颗粒中的硅颗粒为单晶硅颗粒、多晶硅颗粒、非晶硅颗粒、晶态硅线、非晶态硅线、晶态硅棒、非晶态硅棒、晶态硅管、非晶态硅管、晶态硅锥、非晶态硅锥、晶态多孔硅、非晶态多孔硅、晶态空心硅球、非晶态空心硅球中的一种或多种。优选的，所述具有表面修饰的硅颗粒在电极中的质量分数为85％-96％。优选的，所述具有表面修饰的硅颗粒在电极中的质量分数为90％-96％。优选的，所述具有表面修饰的硅颗粒在电极中的质量分数为92％-96％。进一步的，所述具有表面修饰的硅颗粒中值粒径D50为0.8-6.0微米，最大粒径D100小于等于对应中值粒径D50的四倍数值。优选的，所述具有表面修饰的硅颗粒中值粒径D50为0.8-1.8微米，最大粒径D100小于等于对应中值粒径D50的四倍数值。优选的，所述具有表面修饰的硅颗粒中值粒径D50为1.3-4.2微米，最大粒径D100小于等于对应中值粒径D50的四倍数值。优选的，所述具有表面修饰的硅颗粒中值粒径D50为3.5-6.0微米，最大粒径D100小于等于对应中值粒径D50的四倍数值。进一步的，所述具有表面修饰的硅颗粒表面为碳包覆修饰，其中包覆碳的石墨化度无限制，既可以为无定形碳也可以为石墨化碳；所述包覆碳在具有表面修饰的硅颗粒中的质量分数为1％-5％。所述碳包覆修饰的前驱体为碳氢类化合物。更进一步的，所述碳氢类化合物优选为葡萄糖、蔗糖、低温煤沥青、中温煤沥青、高温煤沥青、低温石油沥青、中温石油沥青、高温石油沥青、多巴胺、水凝胶、酚醛树脂、聚乙烯醇、乙烯、乙炔、丙烯中的一种或多种的组合。本专利技术公布了一种高容量密度锂离子电池负极，包括具有表面修饰的硅颗粒、可以形成导电网络的碳导电剂、具有高拉伸强度和高弹性形变特性的有机高分子粘结剂以及利于电子传导的集流体基底；所述具有表面修饰的硅颗粒在电极中的质量分数为80％-96％，所述可以形成导电网络的碳导电剂在电极中的质量分数为0.8％-6％，所述高拉伸强度及高弹性形变特性的有机高分子粘结剂在电极中的质量分数为3％-15％；因此，本专利技术中的负极与石墨掺入少量含硅材料负极体系截然不同，可以视为一种类似于纯硅材料的负极。在石墨掺入少量含硅材料负极体系中，硅材料在充放电过程中均会经历充电时接近完全嵌锂、放电时接近完全脱锂的状态，意味着对单个硅颗粒(或晶粒)而言会反复经历膨胀到极大值然后收缩到最小值的过程，其表面亦会不断形成固态电解质界面(SEI)，从而消耗电解液和锂离子，造成电池的容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：/n所述负极包括具有表面修饰的硅颗粒、可以形成导电网络的碳导电剂、具有高拉伸强度和高弹性形变特性的有机高分子粘结剂以及利于电子传导的集流体基底；/n所述具有表面修饰的硅颗粒在电极中的质量分数为80％-96％，所述可以形成导电网络的碳导电剂在电极中的质量分数为0.8％-6％，所述高拉伸强度及高弹性形变特性的有机高分子粘结剂在电极中的质量分数为3％-15％；/n所述负极的孔隙率为35％-50％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：
所述负极包括具有表面修饰的硅颗粒、可以形成导电网络的碳导电剂、具有高拉伸强度和高弹性形变特性的有机高分子粘结剂以及利于电子传导的集流体基底；
所述具有表面修饰的硅颗粒在电极中的质量分数为80％-96％，所述可以形成导电网络的碳导电剂在电极中的质量分数为0.8％-6％，所述高拉伸强度及高弹性形变特性的有机高分子粘结剂在电极中的质量分数为3％-15％；
所述负极的孔隙率为35％-50％。


2.如权利要求1所述的一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：
所述负极的容量密度≥780mAh/cm3。


3.如权利要求1所述的一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：
所述具有表面修饰的硅颗粒中的硅颗粒为单晶硅颗粒、多晶硅颗粒、非晶硅颗粒、晶态硅线、非晶态硅线、晶态硅棒、非晶态硅棒、晶态硅管、非晶态硅管、晶态硅锥、非晶态硅锥、晶态多孔硅、非晶态多孔硅、晶态空心硅球、非晶态空心硅球中的一种或多种。


4.如权利要求1所述的一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：
所述具有表面修饰的硅颗粒表面为碳包覆修饰，其中包覆碳的石墨化度无限制，既可以为无定形碳也可以为石墨化碳；
所述包覆碳在具有表面修饰的硅颗粒中的质量分数为1％-5％。


5.如权利要求4所述的一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：
所述碳包覆修饰的前驱体为碳氢类化合物。


6.如权利要求1所述的一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：
所述具有表面修饰的硅颗粒中值粒径D50为0.8-6.0微米，最大粒径D100小于等于对应中值粒径D50的四倍数值。


7.如权利要求1所述的一种高容量密度锂离子电池负极，其特征在于：
所述负极中可...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岑，张和宝，李喆，叶兰，
申请(专利权)人：安普瑞斯南京有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32