CN101465416A - 锂离子电池用高比容量复合电极极片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池用高比容量复合电极极片，由集流体、高容量复合负极材料与极耳构成，集流体采用具有三维网络结构的导电材料组成，高容量复合负极材料由复合负极材料增强体和复合负极材料基体组成，复合负极材料增强体高度分散于复合负极材料基体中；高容量复合负极材料通过高温固相反应均匀填充于集流体的孔洞之中，与集流体的骨架通过界面结合，形成具有嵌锂活性的复合电极主体，集流体一端焊有极耳，与外电路相连接，形成电流通路。本发明的有益效果是：极片不引入传统锂离子电池极片中常用的导电剂和粘结剂，而是通过活性复合电极材料与集流体之间的高温固相作用构造成具有良好分散性和粘接性的极片，具有低成本、易成型等优点。

Description

锂离子电池用高比容量复合电极极片
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及锂离子电池用高比容量复合电极极片。是可用作锂离子电池负极的具有高比容量、充放电过程可逆性高，循环性能良好的复合电极极片。
技术背景
随着各种便携式电子设备的小型化及对电动汽车的广泛需求，对化学电源的需求和性能要求急剧增长，而目前对于商品化锂离子电池中大多采用的锂过渡金属氧化物/石墨体系由于该体系电极本身较低的理论储锂容量的限制如石墨，372mAh/g，已难以适应现在对具有高比能量密度的电源的需求。目前报道的对非碳负极材料的研究表明，许多具有高储锂性能的材料，如Al、Sn、Sb、Si等可与Li合金化的金属及其合金类材料，其可逆储锂的量远远大于石墨类负极D.Fauteux and R.Koksbang，J.Appl.Electrochem.Soc，1993，23：1-6高容量问题已不再是限制锂离子电池负极材料的一个困境，但这些新型的高容量材料在锂脱嵌过程中都存在严重的体积效应，这是导致材料的循环稳定性差，限制其实用化的重要因素。如何在目前所知的高容量负极材料的基础上实现负极材料保持适度高容量的情况下改善其循环稳定性是目前锂离子电池负极材料开发、电极制备及应用所面临的首要问题。
对于以硅、锡及其合金或化合物为代表的高容量负极材料，在脱嵌锂过程中会发生电接触问题使部分材料失去活性，这是由于高容量的材料本身在脱嵌锂过程还存在着严重的体积膨胀与收缩该体积效应在首次循环中尤为突出，致使其在后续的循环过程中失去电接触性能，从而部分活性材料失去电化学活性。此外，由于硅材料本身属于半导体，而金属锡及其合金则在首次嵌脱锂锂后由于其本身的结构转变及与电解液的共同作用使活性粒子本身彼此失去连续的电子传输通道也会导致失去其高电子导电性能。因此对于这类高容量材料，传统的材料制备方法使将其分散于高导电性的基体多数为碳中以提高导电性。而目前最常用的电极制备方法是向此类电极体系中引入更多的导电剂主要为乙炔黑等碳类导电剂与粘结剂，与活性电池粉体材料混合均匀形成粘稠的浆料涂敷于铜箔集流体表面，制备成复合电池，以克服材料本身的低导电性带来的负面效应，从而使材料的高容量性能得到充分体现。但是向负极材料中加入较多的导电剂，一方面改善了其导电性，并且在一定程度上减小了电化学过程中的体积效应，但是另一方面，也增加了电极的体积密度。此外乙炔黑本身具有一定的不可逆嵌锂容量，因此，在一定程度上会影响体系的首次可逆性能。目前学术界和企业对高储锂性能的电极材料及电极、电池的制造工艺等的研究十分活跃。
发明内容
本发明的目的在于提供锂离子电池负极的高容量复合电极极片，通过三维金属网络形成的基本构型提高电极活性材料的电接触性能，以有效控制单片电极的嵌锂深度进而改善其循环稳定性。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现，锂离子电池用高比容量复合电极极片主要由集流体、高容量复合负极材料与极耳构成，集流体采用具有三维网络结构的导电材料组成，为极片的支撑结构，高容量复合负极材料由复合负极材料增强体和复合负极材料基体组成，复合负极材料增强体高度分散于复合负极材料基体中；高容量复合负极材料通过高温固相反应均匀填充于集流体的孔洞之中，与集流体的骨架通过界面结合，形成具有嵌锂活性的复合电极主体，根据电池设计的需要裁片，即构成完整的复合电极极片；集流体一端焊有极耳，与外电路相连接，形成电流通路。集流体为泡沫镍、泡沫铜或碳布。复合负极材料增强体为硅、锡或其化合物，复合负极材料基体为镍、铜、石墨或高温裂解碳。极耳为镍片或不锈钢片。
本发明的有益效果是：极片不引入传统锂离子电池极片中常用的导电剂和粘结剂，而是通过活性复合电极材料与集流体之间的高温固相作用构造成具有良好分散性和粘接性的极片，且具有低成本、易成型等优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1是本发明的极片基本构造示意图
图2是本发明硅/碳复合三维极片与传统涂浆法制备的二维结构极片首次次充放电曲线比较。其中：曲线1为本实用新型构造的复合极片，曲线2为传统的涂浆法构造的二维结构极片。
图中：1、集流体，2、复合负极材料，3、极耳，4、复合负极材料增强体，5、复合负极材料基体。
具体实施方式
如图1所示，本发明供的是一种具有三维网络结构的锂离子电池高容量复合负极极片。主要由集流体1、高容量复合负极材料2与极耳3构成，集流体1采用具有三维网络结构的导电材料组成，为极片的支撑结构，高容量复合负极材料2由复合负极材料增强体4和复合负极材料基体5组成，复合负极材料增强体4高度分散于复合负极材料基体5中；高容量复合负极材料2通过高温固相反应均匀填充于集流体1的孔洞之中，与集流体的骨架通过界面结合，形成具有嵌锂活性的复合电极主体，根据电池设计的需要裁片，即构成完整的复合电极极片；集流体1一端焊有极耳3，与外电路相连接，形成电流通路。所述的集流体1为泡沫镍、泡沫铜或碳布。所述的复合负极材料增强体4为硅、锡或其化合物，复合负极材料基体5为镍、铜、石墨或高温裂解碳，极耳3为镍片或不锈钢片。
图2是根据本发明提供的电极构造方式制备的硅/碳复合负极极片与传统的二维方式涂浆法制备的硅/碳电极的首次充放电比较，其中：曲线1为本发明构造的复合极片，曲线2为传统的涂浆法构造的二维结构极片。图上显示的信息表明，采用本发明的复合负极极片能够有效控制电极的嵌锂深度，能够使电极由于深度嵌锂作用带来的结构破坏得到缓解。

Claims (4)

1、锂离子电池用高比容量复合电极极片，其特征在于，主要由集流体(1)、高容量复合负极材料(2)与极耳(3)构成，集流体(1)采用具有三维网络结构的导电材料组成，为极片的支撑结构，高容量复合负极材料(2)由复合负极材料增强体(4)和复合负极材料基体(5)组成，复合负极材料增强体(4)高度分散于复合负极材料基体(5)中；高容量复合负极材料(2)通过高温固相反应均匀填充于集流体(1)的孔洞之中，与集流体的骨架通过界面结合，形成具有嵌锂活性的复合电极主体，根据电池设计的需要裁片，即构成完整的复合电极极片；集流体(1)一端焊有极耳(3)，与外电路相连接，形成电流通路。
2、根据权利要求1所述的所述的锂离子电池用高比容量复合电极极片，其特征在于，所述的集流体(1)为泡沫镍、泡沫铜或碳布。
3、根据权利要求1所述的所述的锂离子电池用高比容量复合电极极片，其特征在于，所述的复合负极材料增强体(4)为硅、锡或其化合物，所述的复合负极材料基体(5)为镍、铜、石墨或高温裂解碳。
4、根据权利要求1所述的所述的锂离子电池用高比容量复合电极极片，其特征在于，所述的极耳(3)为镍片或不锈钢片。
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