CN216563206U - 一种锂离子电池硅碳负极极片 - Google Patents
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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，包括缓冲层、导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体；由上至下依次堆叠有导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体，并共同构成极片主体；所述第一粘结层和第二粘结层采用硅酸镁锂或硅酸锂材料；所述极片主体外部包覆有缓冲层。本实用新型设置了第一粘结层和第二粘结层，使第一粘结层和第二粘结层中的锂元素掺杂能够提高电子的电导率和阳离子交换能力，从而实现预锂化，解决了硅碳的首次库伦效率低的难题。
Description
技术领域
本实用新型涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池硅碳负极极片。
背景技术
目前商业化的锂离子电池负极材料多为石墨类材料，随着储能技术的不断发展，人们锂离子电池的能量密度和性能要求越来越高。硅碳的理论比容量高，并且储量丰富、环境友好且充放电电压平台较低，因此被认为是替代石墨的下一代锂电池负极材料。
传统硅碳负极极片制备通常需要用有机聚合物粘合剂将电极活性材料和导电剂粘结到集流体上，但是有机聚合物粘结剂不提供容量，这降低了电池整体的能量密度。此外，硅碳在第一次循环中形成的副产物消耗了部分锂源，导致首效相对较低。传统的极片制备过程无法实现预锂化。因此，开发一种新型锂离子电池硅碳负极极片来提高硅碳负极导电性和首次库伦效率十分重要。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种锂离子电池硅碳负极极片。该负极极片采用硅酸镁锂或硅酸锂替代了传统有机聚合物粘结剂，可以有效缓解硅碳的体积膨胀，增加导电性并提高其首次库伦效率。
本实用新型所采用的具体技术方案如下：
本实用新型提供了一种锂离子电池硅碳负极极片，包括缓冲层、导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体；由上至下依次堆叠有导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体，并共同构成极片主体；所述第一粘结层和第二粘结层采用硅酸镁锂或硅酸锂材料；所述极片主体外部包覆有缓冲层。
作为优选，所述缓冲层厚度为0.5～1.0μm。
作为优选，所述缓冲层采用聚多巴胺、聚吡喏、明胶、聚乙二醇、淀粉和聚氧化乙烯中的一种。
作为优选，所述导电层厚度为0.1～0.5μm。
作为优选，所述导电层采用Ag、Cu、Ni、Au和Al中的一种。
作为优选，所述活性材料层厚度为5～15μm。
作为优选，所述活性材料层为硅碳负极材料，其中，碳含量为5～95wt％。
作为优选，所述第一粘结层和第二粘结层厚度为0.2～2.0μm。
作为优选，所述集流体为铜箔、镍箔、泡沫铜和泡沫镍中的一种。
本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)现有技术在制备硅碳负极极片的过程中需要采用聚合物粘结剂，聚合物粘结剂本身不提供容量，因此降低了电极整体的能量密度。本实用新型制备的负极极片采用硅酸镁锂或硅酸锂代替了传统聚合物粘结剂，硅酸镁锂或硅酸锂具有无毒、安全、耐酸碱化学稳定性好、内聚力强、吸附性强、阳离子交换性好等一系列优点。根据硅酸镁锂或硅酸锂的特性和现有的研究表明，其只需在水中进行简单的处理即可产生均匀的涂层。该涂层可以作为硅碳的保护层，防止液体电解质的侵蚀。
2)现有技术在制备的硅碳负极极片，无法实现预锂化。本实用新型设置了第一粘结层和第二粘结层，使第一粘结层和第二粘结层中的锂元素掺杂能够提高电子的电导率和阳离子交换能力，从而实现预锂化，解决了硅碳的首次库伦效率低的难题。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的实施例1和对比例1的首次充放电曲线图。
图3为本实用新型的实施例2和对比例2的首次充放电曲线图。
图中附图标记为：1、缓冲层；2、导电层；3、第一粘结层；4、活性材料层；5、第二粘结层；6、集流体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
实施例1
如图1所示，本实施例中的负极极片包括缓冲层1、导电层2、第一粘结层3、活性材料层4、第二粘结层5和集流体6。由上至下依次堆叠有导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体，并共同构成极片主体，在极片主体外部包覆有缓冲层。
其中，本实施例中的缓冲层1为厚度0.5μm的聚吡喏，导电层2为厚度0.2μm的Ag，第一粘结层3为厚度0.4μm的硅酸镁锂，活性材料层4为厚度5μm的硅碳层(碳含量为10wt％)，第二粘结层5为厚度0.4μm的硅酸镁锂，集流体6为泡沫铜。
实施例2
本实施例中的负极极片包括缓冲层1、导电层2、第一粘结层3、活性材料层4、第二粘结层5和集流体6。由上至下依次堆叠有导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体，并共同构成极片主体，在极片主体外部包覆有缓冲层。
其中，本实施例中的缓冲层1为厚度0.7μm的聚多巴胺，导电层2为厚度0.3μm的Ni，第一粘结层3为厚度1.0μm的硅酸镁锂，活性材料层4为厚度5μm的硅碳层(碳含量为20wt％)，第二粘结层5为厚度0.7μm的硅酸锂，集流体6为泡沫铜。
实施例3
本实施例中的负极极片包括缓冲层1、导电层2、第一粘结层3、活性材料层4、第二粘结层5和集流体6。由上至下依次堆叠有导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体，并共同构成极片主体，在极片主体外部包覆有缓冲层。
其中，本实施例中的缓冲层1为厚度0.7μm的明胶，导电层2为厚度0.2μm的Au，第一粘结层3为厚度1.0μm的硅酸锂，活性材料层4为厚度7μm的硅碳层(碳含量为10wt％)，第二粘结层5为厚度1.0μm的硅酸镁锂，集流体6为泡沫镍。
实施例4
本实施例中的负极极片包括缓冲层1、导电层2、第一粘结层3、活性材料层4、第二粘结层5和集流体6。由上至下依次堆叠有导电层、第一粘结层、活性材料层、第二粘结层和集流体，并共同构成极片主体，在极片主体外部包覆有缓冲层。
其中，本实施例中的缓冲层1为厚度0.5μm的聚乙二醇，导电层2为厚度0.3μm的Cu，第一粘结层3为厚度1.0μm的硅酸镁锂，活性材料层4为厚度10μm的硅碳层(碳含量为20wt％)，第二粘结层5为厚度0.7μm的硅酸锂，集流体6为泡沫镍。
对比例1
本对比例按照传统极片的制备方式制备得到了一种负极极片，具体如下：
将含有80wt％硅碳材料(碳含量为10wt％)、10wt％的羧甲基纤维素(即目前常用的聚合物粘结剂)和10％的导电炭黑的浆料涂覆到泡沫铜上，以制备得到厚度为6μm的负极极片。
对比例2
本对比例按照传统极片的制备方式制备得到了一种负极极片，具体如下：
将含有80wt％硅碳材料(碳含量为20wt％)、10wt％的羧甲基纤维素(即目前常用的聚合物粘结剂)和10％的导电炭黑的浆料涂覆到泡沫铜上，制备厚度为7μm的极片。
将实施例1-2和对比例1-2的极片裁剪至均为14mm的圆片，并分别进行以下测试，每组测试均采用三组平行试验。测试步骤具体如下：
1)电池组装
首先，将所得圆片进行电池组装，该过程是在充满氩气的手套箱中进行的。其中，电池壳采用的是CR 2025型，隔膜为聚丙烯celgard 2400，对电极采用的是金属锂片，电解液为购买的商业化硅基专用电解液。
2)电池测试
电池测试电压范围为：0.01～2.5V，充放电电流为：0.2C，以测试上述所得各电池的首次放电容量(mAh/g)和首次库伦效率(％)，结果如下：
如图2所示，为实施例1和对比例1的首次充放电曲线图，从图中可以看出，对比例1和实施例1在400mA g-1的电流密度下的首次充放电容量的衰减率。对比例1和实施例1衰减率分别为36.59％和13.77％，对应的首次库仑效率分别为63.41％和86.23％，由此可见，本实用新型所提供的极片可以有效地提高硅碳负极的首次库伦效率。
如图3所示，为实施例2和对比例2的首次充放电曲线图，从图中可以看出，对比例2和实施例2在400mA g-1的电流密度下的首次充放电容量的衰减率。对比例2和实施例2衰减率分别为36.02％和5.28％，对应的首次库仑效率分别为67.98％和94.72％，由此可见，本实用新型所提供的极片可以有效地提高硅碳负极的首次库伦效率。
本实用新型设置了第一粘结层和第二粘结层，使第一粘结层和第二粘结层中的锂元素掺杂能够提高电子的电导率和阳离子交换能力，从而实现预锂化，解决了硅碳的首次库伦效率低的难题。
以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种锂离子电池硅碳负极极片，其特征在于，包括缓冲层(1)、导电层(2)、第一粘结层(3)、活性材料层(4)、第二粘结层(5)和集流体(6)；由上至下依次堆叠有导电层(2)、第一粘结层(3)、活性材料层(4)、第二粘结层(5)和集流体(6)，并共同构成极片主体；所述第一粘结层(3)和第二粘结层(5)采用硅酸镁锂或硅酸锂材料；所述极片主体外部包覆有缓冲层(1)。
2.如权利要求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(1)厚度为0.5～1.0μm。
3.如权利要求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(1)采用聚多巴胺、聚吡喏、明胶、聚乙二醇、淀粉和聚氧化乙烯中的一种。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片，其特征在于，所述导电层(2)厚度为0.1～0.5μm。
5.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片，其特征在于，所述导电层(2)采用Ag、Cu、Ni、Au和Al中的一种。
6.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片，其特征在于，所述活性材料层(4)厚度为5～15μm。
7.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片，其特征在于，所述活性材料层(4)为硅碳负极材料。
8.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极极片，其特征在于，所述第一粘结层(3)和第二粘结层(5)厚度为0.2～2.0μm。
9.如权利要求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(6)为铜箔、镍箔、泡沫铜和泡沫镍中的一种。
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