含硅负极片和高能量密度电池制造技术

本发明专利技术提供了一种含硅负极片，包括集流体，涂敷于所述集流体表面的第一涂层，涂敷于所述第一涂层表面的第二涂层，涂敷于所述第二涂层表面的第三涂层；所述第一涂层、第二涂层和第三涂层中均包括含硅活性物质、导电剂和粘结剂，所述含硅活性物质为硅基材料和石墨的混合物，所述第二涂层中的硅基材料的质量同时大于第一涂层中的硅基材料的质量和第三涂层中的硅基材料的质量。本申请还提供了一种高能量密度电池。由于含硅负极片涂层的设置，在充电过程中涂层不易从集流体上脱落，电极表面结构完整，有效减少了电极界面与电解液副反应的发生，使得电池具备较高的能量密度和优异的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
含硅负极片和高能量密度电池
本专利技术涉及锂离子电池
，尤其涉及含硅负极片和高能量密度电池。
技术介绍
近年来，为了适应新能源汽车以及智能电网等快速发展的需求，开发出高能量密度、高安全性和长循环寿命的锂离子电池成为当今储能领域的研究热点。电池能量密度的提升主要依靠关键电极材料的发展，如正负极材料容量的提升和负极材料比容量的提升都对电池能量密度的提高有较为显著的作用。硅材料具备较高的理论比容量(＞4000mAh/g)，远高(约10倍)于已接近极限容量的石墨，且对锂电压不高，有望成为高能量密度电池的首选。目前制约硅材料大规模应用的主要原因是在充放电过程中硅会发生巨大的体积膨胀，导致在循环过程中电极材料粉化、表面开裂、活性物质与集流体之间失去电接触，从而引起容量快速衰减。受限于此，硅在锂电池负极中的添加量很低，行业内当前高能量密度动力电池所使用的含硅负极的容量仅为400～450mAh/g。因此，提供一种高容量含硅负极对于锂离子电池具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种含硅负极片，以解决电池在充放电过程中负极体积膨胀大涂层脱落、循环寿命差的问题，保证电池的能量密度高且循环寿命优异。本申请提供了一种含硅负极片，其包括集流体和依次叠加于所述集流体表面的第一涂层、第二涂层和第三涂层，其中第二涂层中含有最多的硅基材料，且位于第一涂层和第三涂层之间，不直接与集流体接触，也不会裸露于电极表面，在充放电过程中只在中间层膨胀，极片不会从集流体脱落，表面亦不易开裂掉粉与电解液发生副反应，从而能够保证优异的循环性能。进一步的，与集流体接触的第一涂层中硅含量最少，电池在充放电过程体积变化最小，活性物质不易与集流体分离，可以显著改善活性物质脱落的问题。因此，本申请提供的含硅负极片可以使用较高比例的硅基材料，以保证负极具备较高的容量，同时降低硅负极片的膨胀，避免活性物质从集流体脱落，从而更高的提升电池的能量密度。附图说明图1为本专利技术提供的含硅负极片的结构示意图；图2为本专利技术实施例和对比例制备的锂离子电池100圈循环拆解满电状态负极片。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。鉴于硅材料在电池充放电过程中产生体积膨胀，易脱落进而降低硅含量，最终影响电池容量的问题，本申请提供了一种含硅负极片，该含硅负极片由于设置了三层涂层，且第二涂层中硅基材料含量最高，由此解决了电池在充放电过程中负极体积膨胀大、涂层脱落、循环寿命差的问题，使得到的电池能量密度高且循环寿命优异。具体的，图1为本专利技术提供的含硅负极片的结构示意图，所述含硅负极片包括集流体A0，涂布于集流体A0上的第一涂层T1，涂布于第一涂层T1表面的第二涂层T2，涂布于第二涂层T2表面的第三涂层T3。更具体地，本专利技术实施例公开了一种含硅负极片，包括集流体，涂敷于所述集流体表面的第一涂层，涂敷于所述第一涂层表面的第二涂层，涂敷于所述第二涂层表面的第三涂层；所述第一涂层、第二涂层和第三涂层中均包括含硅活性物质、导电剂和粘结剂，所述含硅活性物质为硅基材料和石墨的混合物，所述第二涂层中的硅基材料的质量同时大于第一涂层中的硅基材料的质量和第三涂层中的硅基材料的质量。更具体地，所述第二涂层中硅基材料的质量大于第三涂层中的硅基材料的质量大于第一涂层中硅基材料的质量。第一涂层中硅基材料与石墨的质量比为(1～10)：(90～99)，涂层中只含有极少量的硅基材料，使得与集流体接触的第一涂层在嵌锂过程中膨胀大大降低，活性物质与集流体保持较好的连接，不易脱落。在具体实施例中，所述硅基材料与所述石墨的质量比为(1.5～6.5)：(93.5～98.5)，更具体地，所述硅基材料与所述石墨的质量比为1.9:93.1或4.75:91.25。第二涂层中硅基材料与石墨的质量比为(10～50)：(25～90)，第二涂层位于负极片涂层的中间部位，可以允许一定程度的膨胀而不会对电极结构造成破坏，第二涂层中大量的硅基材料可以提供更多的负极容量，从而提供电池的能量密度。在具体实施例中，所述硅基材料与所述石墨的质量比为(25～45)：(25～75)，更具体地，所述硅基材料与所述石墨的质量比为28.5:66.5、42.75:52.25或57:38第三涂层中硅基材料与石墨材料的质量比为(5～35)：(65～95)，第三涂层位于负极片涂层的表面，少量的硅基材料可以在提供一定容量的同时不会因膨胀过大而造成负极片表面开裂，与电解液发生副反应，界面阻抗大，影响电池性能。在具体实施例中，所述硅基材料与所述石墨的质量比为(9～30)：(70～93)，更具体地，所述硅基材料与所述石墨的质量比为9.5：85.5、11.4：83.6或12.8：82.2。在本申请中，所述第一涂层、第二涂层和第三涂层中的硅基材料、石墨、导电剂和粘结剂可以选择相同的，可以选择不同的，对此本申请没有特别的限制；具体的，所述硅基材料具体选自纳米硅颗粒，硅氧碳复合材料、硅合金材料和纳米硅/二氧化硅复合物的一种或多种；所述石墨选自天然石墨和人造石墨的一种或两种；所述导电剂选自炭黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈和海藻酸钠中的一种或多种。所述集流体选自本领域技术人员熟知的集流体，在具体实施例中，所述集流体选自铜箔，其厚度为4～15μm。在本申请中，所述第一涂层、所述第二涂层和所述第三涂层形成的总涂层中硅基材料、石墨、导电剂、粘结剂分别占总涂层重量的5％～50％、50％～90％、1％～5％、1～5％。本申请还提供了一种高能量密度电池，其包括正极和负极，其中所述负极为本申请上述方案所述的含硅负极片。本申请中，正极、负极的N/P的设定值为1.02～1.2。为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术提供的含硅负极片及高能量密度电池进行详细说明，本专利技术的保护范围不受以下实施例的限制。实施例1正极片制作：正极质量比为：镍钴锰三元材料811：导电炭黑：聚偏二氟乙烯＝96.5:1.5：2；将聚偏二氟乙烯溶于N-甲基吡咯烷酮溶剂中配制成7％的胶液，然后加入导电炭黑，分散完全后加入镍钴锰三元材料811，直至浆料混合分散均匀，加入N-甲基吡咯烷酮调节粘度至5000～8000cp，然后将混合好的浆料均匀的涂布在厚度为12μm的铝箔上，涂布双面面密度为40mg/cm2，并辊压分切得到正极片。负极片制作：负极浆料1：负极质量比为：硅氧碳复合材料：人造石墨：导电炭黑：羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶＝1.9：93.1：1.5：1.5：2；将增稠剂羧甲基纤维素钠溶于去离子水中配制成2.5％的胶液，然后加入导电炭黑，分散完全后分批多次加入硅氧碳复合材料和人造石墨，混合均匀后加入粘结剂丁苯橡胶乳液，加水调节粘度至2000～4000cp；负极浆料2：负极质量比为：硅氧碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含硅负极片，包括集流体，涂敷于所述集流体表面的第一涂层，涂敷于所述第一涂层表面的第二涂层，涂敷于所述第二涂层表面的第三涂层；/n所述第一涂层、第二涂层和第三涂层中均包括含硅活性物质、导电剂和粘结剂，所述含硅活性物质为硅基材料和石墨的混合物，所述第二涂层中的硅基材料的质量同时大于第一涂层中的硅基材料的质量和第三涂层中的硅基材料的质量。/n

【技术特征摘要】
1.一种含硅负极片，包括集流体，涂敷于所述集流体表面的第一涂层，涂敷于所述第一涂层表面的第二涂层，涂敷于所述第二涂层表面的第三涂层；
所述第一涂层、第二涂层和第三涂层中均包括含硅活性物质、导电剂和粘结剂，所述含硅活性物质为硅基材料和石墨的混合物，所述第二涂层中的硅基材料的质量同时大于第一涂层中的硅基材料的质量和第三涂层中的硅基材料的质量。


2.根据权利要求1所述的含硅负极片，其特征在于，所述第二涂层中的硅基材料的质量＞第三涂层中的硅基材料的质量＞第一涂层中的硅基材料的质量。


3.根据权利要求1所述的含硅负极片，其特征在于，所述第一涂层中的硅基材料与石墨的质量比为(1～10)：(90～99)，所述第二涂层中的硅基材料与石墨的质量比为(10～50)：(25～90)，所述第三涂层中的硅基材料与石墨的质量比为(5～35)：(65～95)。


4.根据权利要求3所述的含硅负极片，其特征在于，所述第一涂层、第二涂层和第三涂层形成的涂层中，所述硅基材料的总质量为总涂层质量的5～50w...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋亚北，田爽，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33