CN209104267U - 一种锂离子电池硅碳负极极片 - Google Patents

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张小溪
陈伟
王海文
范进雷
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Abstract

本实用新型公开了一种锂离子电池硅碳负极极片，集流体、缓冲层、活性层和保护层，缓冲层复合在集流体表面，同时缓冲层的表面复合有活性层，并且保护层涂覆于活性层表面；所述集流体为铜箔；缓冲层为石墨材料制成，缓冲层的厚度为40‑50μm，活性层为碳硅材料制成，活性层的厚度为30‑40μm，保护层为石墨烯材料制成，保护层的厚度为10‑20μm。本实用新型提供的锂离子电池硅碳负极极片相比传统的锂离子电池负极极片而言，添加了石墨缓冲层和石墨烯保护层，石墨缓冲层可以吸收和释放硅碳材料中硅在充放电过程中体积膨胀所产生的应力，防止硅碳活性层的粉化与脱落，并且石墨本身作为锂离子电池负极材料，可进行脱嵌锂，具有良好的循环稳定性。

Description

一种锂离子电池硅碳负极极片
技术领域
本实用新型属于锂离子电池领域，涉及一种锂离子电池硅碳负极极片。
背景技术
锂离子电池以其高电压、高能量密度、高循环稳定性、无记忆效应、长寿命等优点，逐渐占领电子产品市场并最终击败其他体系的电池，给人们的生活带来了极大的便利。
随着人类社会的不断进步，传统的锂离子电池已经难以应对当今市场的需求，现有的锂离子电池主要采用石墨类材料作为负极且目前的技术水平而言石墨的实际克容量已经非常接近其理论容量372mAh/g。要想再提高锂离子电池的能量密度，就必须采用克容量更高的材料作锂离子电池负极。
随着人们不断的研究，发现硅作负极有高达4200mAh/g的理论比容量，且储量充足，价格低廉。但其也存在实际应用中的困难，如本征电导率低，在充放电过程中硅负极有高达300％以上的膨胀与收缩，由此产生的机械应力会使硅材料逐渐破碎、粉化，表面无法形成稳定的SEI膜，导致电池容量迅速衰减甚至发生跳水失效现象。因此，如何将硅材料安全有效的应用到锂离子电池负极中将是今后锂离子电池科研的重点研究方向。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种锂离子电池硅碳负极极片，负极极片中添加了石墨缓冲层和石墨烯保护层，石墨缓冲层可以吸收和释放硅碳材料中硅在充放电过程中体积膨胀所产生的应力，防止硅碳活性层的粉化与脱落，并且石墨本身作为锂离子电池负极材料，可进行脱嵌锂，具有良好的循环稳定性；石墨烯保护层能避免活性层与电解液直接接触，从而减少活性材料与电解液副反应的发生，防止在充放电过程中硅碳负极材料表面的固体电解质(SEI)膜厚度增加且石墨烯可提供二维的锂离子通道，促进锂离子的迁移；同时，石墨缓冲层和石墨烯保护层具有较高的电子电导率可降低负极极片的极化，因此，通过石墨缓冲层和石墨烯保护层复合的硅碳负极极片能有效提高锂离子电池的可逆容量、倍率性能及循环稳定性。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：
一种锂离子电池硅碳负极极片，集流体、缓冲层、活性层和保护层，缓冲层复合在集流体表面，同时缓冲层的表面复合有活性层，并且保护层涂覆于活性层表面；
所述集流体为铜箔；
所述缓冲层为石墨材料制成，缓冲层的厚度为40-50μm。
所述活性层为碳硅材料制成，活性层的厚度为30-40μm。
所述保护层为石墨烯材料制成，保护层的厚度为10-20μm。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的锂离子电池硅碳负极极片相比传统的锂离子电池负极极片而言，添加了石墨缓冲层和石墨烯保护层，由于石墨为网层状结构且断裂韧性好，每个碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成三个共价单键并排列成平面六角的网状结构，每层之间互相平行且以范德瓦耳斯力相结合，层间距为0.335nm，石墨的这些结构特点和性能使石墨缓冲层可以吸收和释放硅碳材料中硅在充放电过程中体积膨胀所产生的应力，而在放电过程中由于硅材料体积收缩，石墨将释放所吸收的应力，防止硅碳活性层的粉化与脱落，石墨保护层的存在可以避免硅碳活性材料在充放电循环过程中的剥离和破碎，提高其循环寿命及锂离子电池的使用安全性，并且石墨本身作为锂离子电池负极材料，可进行脱嵌锂，具有良好的循环稳定性。
本发明在锂离子电池负极极片中设置石墨烯保护层能避免活性层与电解液直接接触，从而减少活性材料与电解液副反应的发生，防止在充放电过程中硅碳负极材料表面的固体电解质(SEI)膜厚度增加，石墨烯的超高比表面积2630m2/g，使得石墨烯可提供二维的锂离子通道，促进锂离子的迁移，提高锂离子电导率，而且其超高强度使锂离子电池硅碳负极极片的使用安全性得到极好的保障。
本发明负极极片制备过程中使用的石墨和石墨烯都具有优良的电子导电性，可以提高负极极片电子电导率，降低负极极片的极化作用，提升其倍率性能及可逆比容量。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
图1是实施例1中锂离子电池硅碳负极极片结构示意图；
图2是本实用新型制备的锂离子电池硅碳负极极片与传统负极极片循环性能测定结果；
图3为实施例2中锂离子电池硅碳负极极片结构示意图；
图4为实施例2中集流体结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-4，结合如下实施例进行详细说明：
一种锂离子电池硅碳负极极片，如图1所示，包括集流体1、缓冲层2、活性层3和保护层4，缓冲层2复合在集流体1表面，同时缓冲层2的表面复合有活性层3，并且保护层4涂覆于活性层3表面；
所述集流体1为铜箔；
所述缓冲层2为石墨材料制成，缓冲层2的厚度为40-50μm；由于石墨为网层状结构且断裂韧性好，每个碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成三个共价单键并排列成平面六角的网状结构，每层之间互相平行且以范德瓦耳斯力相结合，层间距为0.335nm，石墨的这些结构特点和性能使石墨缓冲层可以吸收和释放硅碳材料中硅在充放电过程中体积膨胀所产生的应力，而在放电过程中由于硅材料体积收缩，石墨将释放所吸收的应力，防止硅碳活性层的粉化与脱落，石墨保护层的存在可以避免硅碳活性材料在充放电循环过程中的剥离和破碎，提高其循环寿命及锂离子电池的使用安全性，并且石墨本身作为锂离子电池负极材料，可进行脱嵌锂，具有良好的循环稳定性；
所述活性层3为碳硅材料制成，活性层3厚度为30-40μm；以硅作负极制备的活性层具有较高的比容量；
所述保护层4为石墨烯材料制成，保护层4的厚度为10-20μm；石墨烯保护层能避免活性层与电解液直接接触，从而减少活性材料与电解液副反应的发生，防止在充放电过程中硅碳负极材料表面的固体电解质(SEI)膜厚度增加，石墨烯的超高比表面积2630m2/g，使得石墨烯可提供二维的锂离子通道，促进锂离子的迁移，提高锂离子电导率，而且其超高强度使锂离子电池硅碳负极极片的使用安全性得到极好的保障，同时石墨和石墨烯都具有优良的电子导电性，可以提高负极极片电子电导率，降低负极极片的极化作用，提升其倍率性能及可逆比容量。
如图2所示，将本实用新型中制备的锂离子电池硅碳负极极片和传统的负极极片进行性能比较，其中图2中的实施例为本实用新型制备的锂离子电池硅碳负极极片的充放电循环性能曲线，对比例是传统极片的充放电循环性能曲线；其中实施例和对比例极片中活性层硅材料质量百分比都为15％，活性层制备工艺一致；对由实施例及对比例极片所制备的同规格锂离子半电池分别进行充放电循环测试，测试条件为：环境温度为25℃，电压范围为0.005～2V，充放电倍率为0.5C；由图2可知，实施例在充放电循环500次后该锂离子电池的容量保持率仍有82.86％，表现出良好的循环稳定性而对比例容量保持率只有58.07％；由此可以说明缓冲层和保护层的加入可以避免硅材料在充放电循环过程中的剥离和破碎以及提高电子和锂离子的电导率，从而使本实用新型提供的负极极片电化学性能得到很大的提高。
实施例2：
一种锂离子电池硅碳负极极片，如图3和图4所示，包括集流体1、第一缓冲层2、活性层3、第二缓冲层4和保护层5，第一缓冲层2复合在集流体1表面，同时第一缓冲层2的表面复合有活性层3，活性层3的表面复合有第二缓冲层4，并且保护层5涂覆于第二缓冲层4的表面；
所述集流体1为铜箔，集流体1的表面为波纹面，其中波峰到集流体1底面的距离为波谷到集流体1底面的距离的2倍，通过设置波纹面可以增加铜箔表面的比表面积，进而使得铜箔表面涂布的缓冲层2的面积增大，缓冲层中的石墨可以吸收和释放硅碳材料中硅在充放电过程中体积膨胀所产生的应力，而在放电过程中由于硅材料体积收缩，石墨将释放所吸收的应力，防止硅碳活性层的粉化与脱落，进而能够大大提高极片在充放电循环过程中的抗剥离和抗破碎能力，进一步提高其循环寿命及锂离子电池的使用安全性；
第一缓冲层2和第二缓冲层4均为石墨材料制成，厚度均为40-50μm；通过在
同时缓冲层2和活性层3的表面均为粗糙面，通过在活性层3的上下表面均设置缓冲层可以进一步降低硅材料体积的变化，进而提高循环效率；
保护层5为石墨烯材料制成，保护层4的厚度为10-20μm。
以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种锂离子电池硅碳负极极片，其特征在于，包括集流体(1)、缓冲层(2)、活性层(3)和保护层(4)，缓冲层(2)复合在集流体(1)表面，同时缓冲层(2)的表面复合有活性层(3)，并且保护层(4)涂覆于活性层(3)表面。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片,其特征在于，所述集流体(1)为铜箔。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片,其特征在于，所述缓冲层(2)为石墨材料制成，缓冲层(2)的厚度为40-50μm。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片,其特征在于，所述活性层(3)为碳硅材料制成，活性层(3)的厚度为30-40μm。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片,其特征在于，所述保护层(4)为石墨烯材料制成，保护层(4)的厚度为10-20μm。
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