一种抗膨胀硅基负极极片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗膨胀硅基负极及其制备方法，自内向外包括箔片、附着于箔片两侧的补锂层、附着于补锂层外侧的硅基活性材料层、附着于硅基活性材料层外侧的无定型碳层以及最外侧的石墨层；所述箔片为多孔箔片，补锂层将多孔箔片的孔填充；无定型碳层的厚度为20～100μm，无定型层的面密度为硅系负极涂层面密度的0.2～5倍。度的0.2～5倍。度的0.2～5倍。

【技术实现步骤摘要】
一种抗膨胀硅基负极极片及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种抗膨胀硅基负极极片及其制备方法，主要用于制备锂离子电池。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]硅属于高容量电极材料，可以显著增加锂存储容量，但是锂离子电池用硅基电极的商业化一直受到(脱)锂化过程中硅颗粒体积变化的严重阻碍，在(脱)锂化过程中硅粒子的严重体积变形会导致电极的膨胀和收缩，导致电池容量迅速衰减。
[0004]专利技术人尝试在多孔箔材上涂覆补锂涂层，然后在补锂涂层的表面涂覆硅系负极材料涂层，制备得到负极极片。但是该负极极片在工作过程中，硅系负极材料的膨胀背离多孔箔材的方向，无法对其膨胀进行限制。

技术实现思路

[0005]在此基础上，专利技术人尝试在硅系负极材料涂层的表面涂覆石墨层，利用石墨层对硅系负极材料的膨胀进行限位，使其朝向多孔箔材膨胀，以利用多孔箔材上的通孔的体积。该方案可以在一定程度上缓解硅系负极材料膨胀的问题。
[0006]但是专利技术人进一步发现，不同的使用情况下(例如，硅系负极面密度增大，其对应的膨胀体积和膨胀应力也会变大)，硅系负极材料的膨胀情况不同，而石墨层的质地较脆，当硅系负极材料的体积膨胀超出多孔箔材和补锂涂层的可容纳体积时，又会向外膨胀，对石墨层施加向外的挤压力，使石墨层产生裂缝、破裂甚至脱落，失去对硅系负极材料的限制作用。此时则需要在整个负极极片结构中增加可继续吸收膨胀体积及应力的功能性涂层。此功能性涂层可以更大限度的保证当硅系负极膨胀超过多孔箔材空隙时，负极极片的结构不受破坏。
[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种抗膨胀硅基负极及其制备方法。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种抗膨胀硅基负极，自内向外包括箔片、附着于箔片两侧的补锂层、附着于补锂层外侧的硅基活性材料层、附着于硅基活性材料层外侧的无定型碳层以及最外侧的石墨层；
[0010]所述箔片为多孔箔片，补锂层将多孔箔片的孔填充；
[0011]无定型碳层的厚度为20～150μm，无定型碳层的面密度为所涂覆硅系负极材料面密度的0.2～5倍。优选为0.2～3倍。
[0012]无定型碳层具有质地柔软、结构疏松以及内部含有大量微孔等特点，将其设置于硅基活性材料层与石墨层之间，一方面可以起到良好的缓冲作用，当硅基活性材料层膨胀较多，而多孔箔材的空隙已无法消化掉硅系负极多余的膨胀体积和应力时，无定型碳层可
以吸收多余的应力和膨胀，防止硅基活性材料层对石墨层造成过大的作用力，尤其是可以缓解对石墨层施加的过大的局部作用力，有效避免石墨层产生裂缝、破裂(进而导致整个负极极片的失效)；第二方面，无定型碳层质地柔软，石墨层可以通过无定型碳层将作用力均匀传递到硅基活性材料层，进而可以对硅基活性材料层起到更好的限位作用，使其向多孔箔片方向膨胀(当锂电池充电时硅系负极的膨胀同时向多孔箔材空隙和无定型碳层两个方向进行扩散，同时最外面的石墨涂层也向无定型碳涂层给予膨胀压力。硅系负极在无定型碳中的膨胀应力会和石墨涂层施于无定型碳的压力相遇，石墨涂层的压力挤压硅系负极的膨胀压力，使得硅系负极的膨胀压力填满无定型碳涂层和多孔箔材空隙)；第三方面，无定型碳层具有良好的导电性，不影响电池的正常工作，无定型碳涂层也是负极活性物质涂层，其也提供负极容量)。
[0013]在一些实施例中，所述无定型碳层中的无定型碳选自软碳、硬碳或中间相碳微球。
[0014]优选的，无定型碳层中包括无定型碳、导电剂和粘结剂，无定型碳、导电剂和粘结剂的质量比为85～98:1～6:1～10。
[0015]无定型碳本身也是负极活性物质，也提供负极容量，从而其组成与其它涂层类似。
[0016]在一些实施例中，石墨层中，石墨、导电剂和粘结剂的质量比为85～98:1～6:0.8～5。
[0017]进一步优选的，所述导电剂选自Super P、SFG、科琴黑、VGCF、CNTs、石墨烯中的一种或其组合。无定型碳本身也是负极活性物质，也提供负极容量，从而其组成与其它涂层类似。
[0018]进一步优选的，所述粘结剂选自丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠或聚偏二氟乙烯的一种或其组合。
[0019]在一些实施例中，箔片厚度为8～20μm；硅基活性材料层厚度为30～120μm；石墨层厚度为40～150μm。
[0020]在一些实施例中，补锂层中金属锂粉、导电剂和粘结剂的质量比为94～98:1～3:1～4；所述导电剂为软颗粒导电剂(柔韧性较好，不影响硅系负极后续的进入。
[0021]优选的，所述软颗粒导电剂为导电剂KS
‑
6或KS
‑
15。
[0022]第二方面，本专利技术提供一种抗膨胀硅基负极的制备方法，包括如下步骤：
[0023]取硅基活性材料极片，其自内向外包括多孔箔片、附着于箔片两侧的补锂层和附着于补锂层外侧的硅基活性材料层；
[0024]将无定型碳、导电剂和粘结剂按质量比为85
‑
98:1
‑
6:1
‑
10混合后的浆液均匀双面涂覆于硅基活性材料极片上，得无定型碳层；
[0025]将石墨、导电剂和粘结剂按质量比为85～98:1～6:0.8～5混合后均匀涂覆于无定型碳层上，得到石墨层；
[0026]将获得的负极极片烘干后辊压，即得。
[0027]辊压是锂电池制作必备工序，辊压和本专利的涂层挤压膨胀没关系，辊压是物理挤压，本专利涂层的膨胀是电化学膨胀。
[0028]在一些实施例中，硅基活性材料层的活性材料为氧化亚硅或Si/C。
[0029]上述本专利技术的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
[0030]当锂电池进行首次充电时，箔片里面的补锂涂层会为硅负极材料进行补锂作用，
提高电池首次效率增加电池能量密度。
[0031]消耗了补锂涂层里面的锂粉之后，原先的箔片被补锂材料填充的孔隙，会多出很多空间。硅基活性材料层的硅负极材料，在充电时体积会产生膨胀，其会向箔片和无定型碳层两个方向进行扩张，因为此时箔片内部已因为补锂材料的消耗而出现了很多的空隙，从而使得硅基活性材料层膨胀的应力和体积变化会优先向箔片的空隙中释放，从而使得箔片的空隙很好的解决了硅基活性材料层充放电时膨胀出现的应力和体积变化。
[0032]同时无定型碳材料涂层在负极片涂布辊压后其相对于硅基活性材料层和石墨层来说质地更加柔软，结构更加疏松，内部含有大量的微孔，也可以消化吸收硅基活性材料层带来的应力和膨胀，与箔片一起共同起到了改善硅系材料负极使用问题，尤其是在超高容量的硅负极材料上硅基活性材料层也可以和箔片一起大大改善硅负极的膨胀问题。
附图说明
[0033]构成本专利技术的一部分的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗膨胀硅基负极，其特征在于：自内向外包括箔片、附着于箔片两侧的补锂层、附着于补锂层外侧的硅基活性材料层、附着于硅基活性材料层外侧的无定型碳层以及最外侧的石墨层；所述箔片为多孔箔片，补锂层将多孔箔片的孔填充；无定型碳层的厚度为20～100μm。2.根据权利要求1所述的抗膨胀硅基负极，其特征在于：所述无定型碳层中的无定型碳选自软碳、硬碳或中间相碳微球；优选的，无定型碳层的面密度为硅系负极涂层面密度的0.2～5倍。3.根据权利要求2所述的抗膨胀硅基负极，其特征在于：无定型碳层中包括无定型碳、导电剂和粘结剂，无定型碳、导电剂和粘结剂的质量比为85～98:1～6:1～10。4.根据权利要求1所述的抗膨胀硅基负极，其特征在于：石墨层中，石墨、导电剂和粘结剂的质量比为85～98:1～6:0.8～5。5.根据权利要求3或4所述的抗膨胀硅基负极，其特征在于：所述导电剂选自Super P、SFG、科琴黑、VGCF、CNTs、石墨烯中的一种或其组合。6.根据权利要求3或4所述的抗膨胀硅基负极，其特征在于：所述粘结剂选自丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：何欢，李阳兴，朱朋辉，
申请(专利权)人：安徽得壹能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：