一种锂离子电池硅负极及电池制造技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池硅负极及电池，涉及锂离子电池技术领域。其包括相互混合的硅活性材料、电解质材料和粘结剂；所述电解质材料为三层复合结构的颗粒材料，所述电解质材料包括多孔内核、中间层的陶瓷快离子导体层和外层的保护层。本发明专利技术提供的一种锂离子电池硅负极及电池，能够解决控制硅材料膨胀的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池硅负极及电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，尤其涉及一种锂离子电池硅负极及电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于具有重量轻、体积小、工作电压高、能量密度高、输出功率大、充电效率高、无记忆效应、循环寿命长等优点，在手机、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用。目前电子数码产品对锂离子电池的能量密度要求越来越高，而现有的负极材料石墨很难满足能量密度要求。硅材料的理论克容量为4200mAh/g，远高于石墨材料的理论克容量372mAh/g，但硅材料在充放电过程中体积膨胀大，使硅材料目前在锂离子电池中难以商用化。硅材料在充放电过程中体积膨胀大会导致以下问题：1、导致负极极片厚度增大，进而引起锂离子电池体积增大；2、导致硅材料之间以及硅材料与导电碳之间的接触降低，影响锂离子电池的循环使用寿命；3、硅材料体积膨胀后易从集流体上脱落，容易引起自放电和内短路等安全问题。
[0003]对硅材料用作锂离子电池负极的研究重点在于如何控制硅材料的膨胀形变。目前采用较多的办法是对硅材料进行优化与改性，比如采用纳米硅粉、硅纳米线，硅纳米管或硅碳复合，也有采用气相沉积法在无定形碳上沉积纳米硅。这些方法在一定程度上提高了硅负极的循环稳定性，但效果和稳定性有限。
[0004]因此，亟需一种新的锂离子电池硅负极，以解决控制硅材料膨胀的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种锂离子电池硅负极及电池，能够解决控制硅材料膨胀的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种锂离子电池硅负极，包括相互混合的硅活性材料、电解质材料和粘结剂；所述电解质材料为三层复合结构的颗粒材料，所述电解质材料包括多孔内核、中间层的陶瓷快离子导体层和外层的保护层；所述保护层为保护性碳层；所述保护性碳层通过碳前驱体的热沉积方式沉积于所述陶瓷快离子导体层的表面；所述保护性碳层还设有聚合物固态电解质，所述聚合物固态电解质为多孔结构；所述聚合物固态电解质包括聚合物、锂盐和第一导电剂；所述聚合物为聚丙烯酸酯，所述聚丙烯酸酯为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、乙基丙烯酸甲酯、乙基丙烯酸乙酯中的一种或几种；所述第一导电剂为导电碳类材料。
[0007]可选地，所述多孔内核的空隙率为20-95%；所述多孔内核的孔径不大于5nm。
[0008]可选地，所述多孔内核的空隙率为50-95%。
[0009]可选地，所述多孔内核由多孔导电材料制备得到。
[0010]可选地，所述多孔内核为多孔导电碳材料制备得到。
[0011]可选地，还包括第二导电剂，所述第二导电剂置于所述硅活性材料、电解质材料和粘结剂之中并混合均匀；所述第二导电剂的重量与锂离子电池硅负极总重量的比值不大于2%。
[0012]可选地，所述多孔内核的粒径为1-10μm，所述陶瓷快离子导体层的厚度为10-500nm；所述保护层的厚度为1-50nm。
[0013]可选地，所述硅活性材料的重量占所述锂离子电池硅负极总重量的90-97%；所述电解质材料的重量占所述锂离子电池硅负极总重量的1-5%；所述粘结剂的重量占所述锂离子电池硅负极总重量的0.01-5%。
[0014]本专利技术还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如前所述的锂离子电池硅负极。
[0015]本专利技术提供的一种锂离子电池硅负极，通过添加具有特定结构的电解质材料，电解质材料具有多孔内核，电解质材料均匀混杂于硅负极中，使得硅负极膨胀过程中产生的膨胀形变为电解质材料中的孔隙所吸收，克服了硅负极使用过程中膨胀的问题。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本专利技术提供的一种锂离子电池硅负极的电解质材料的三层复合结构的结构示意图。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]本专利技术提供的一种锂离子电池硅负极，一般地，锂离子电池硅负极的材质可以包括硅活性材料、电解质材料1和粘结剂。硅活性材料、电解质材料1和粘结剂相互混合均匀后制备成固体即为本专利技术的一种锂离子电池硅负极。硅活性材料的重量占锂离子电池硅负极总重量的90-97%。电解质材料1的重量占锂离子电池硅负极总重量的1-5%。粘结剂的重量占锂离子电池硅负极总重量的0.01-5%。粘结剂可以是锂离子电池中常用的粘结剂，其目的在于增加固化后的锂离子电池硅负极的结合强度，其可以是本领域技术人员根据需要进行选择。
[0020]对硅负极的硅活性材料选择没有特别要求，在不违背本专利技术构思的情况下，已知的硅负极活性材料均可用于本专利技术中，包括但不限于硅碳或硅氧负极活性材料。
[0021]所述粘结剂可以是聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素和聚乙烯醇中的一种或多种。
[0022]其中，电解质材料1的结构示意图如图1所示，电解质材料1为三层复合结构的颗粒
状材料。电解质材料1的三层复合结构包括位于中心处的多孔内核11、中间层的陶瓷快离子导体层12和外层的保护层13。多孔内核11为具有多孔结构的颗粒状材料，其颗粒状不限于图示的球形或椭球形，还可以是其他不规则的颗粒形状。可选地，多孔内核11的空隙率为20-95%。优选地，多孔内核11的空隙率为50-95%，以便于更好地吸收克服硅负极使用过程中的膨胀形变。关于多孔内核11的空隙率的选择，不同空隙率的多孔内核11，吸收硅负极膨胀过程中产生的膨胀形变的能力不同，且吸收膨胀形变的能力与空隙率呈正相关。当多孔内核11的空隙率低于20%时，电解质材料1的空隙不足以吸收硅负极膨胀过程中产生的膨胀形变。而当多孔内核11的空隙率大于95%时，电解质材料1的空隙过多，制备工艺困难，电解质材料1的颗粒的结构强度显著下降，且容易导致负极致密度不够。
[0023]陶瓷快离子导体层12即为快离子导体陶瓷 (英文为：fast-ion conductive ceramics )，其是指在一定条件（温度、压力）下具有电子（或空穴）电导或离子电导特性的陶瓷。陶瓷快离子导体层12可以由已知的陶瓷快离子导体构成，已知的陶瓷快离子导体包括但不限于氧化物快离子导体、硫化物快离子导体、硒化物快离子导体中的一种或几种，也可以是铌酸锂、磷酸钛铝锂等具有离子导电性的陶瓷颗粒中的任一种。
[0024]保护层13用于将锂离子电池的电解质（电解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池硅负极，其特征在于，包括相互混合的硅活性材料、电解质材料和粘结剂；所述电解质材料为三层复合结构的颗粒材料，所述电解质材料包括多孔内核、中间层的陶瓷快离子导体层和外层的保护层；所述保护层为保护性碳层；所述保护性碳层通过碳前驱体的热沉积方式沉积于所述陶瓷快离子导体层的表面；所述保护性碳层还设有聚合物固态电解质，所述聚合物固态电解质为多孔结构；所述聚合物固态电解质包括聚合物、锂盐和第一导电剂；所述聚合物为聚丙烯酸酯，所述聚丙烯酸酯为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、乙基丙烯酸甲酯、乙基丙烯酸乙酯中的至少一种；所述第一导电剂为导电碳类材料。2.根据权利要求1所述的锂离子电池硅负极，其特征在于，所述多孔内核的空隙率为20-95%；所述多孔内核的孔径不大于5nm。3.根据权利要求2所述的锂离子电池硅负极，其特征在于，所述多孔内核的空隙率为50-95%。4.根据权利要求2所述的锂离子电池硅负极，其特征在于，所述多孔内核由...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉川，王明辉，高丽娜，
申请(专利权)人：清陶昆山能源发展有限公司，
类型：发明
国别省市：