專利名稱：硅碳負(fù)極極片及其制作方法、鋰離子電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到鋰電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到硅碳負(fù)極極片及其制作方法、鋰離子電池及其制作方法。
背景技術(shù)：
鋰離子電池具有電壓高、無(wú)記憶效應(yīng)、能量密度高等特點(diǎn)，已經(jīng)在智能手機(jī)和筆記本電腦等便攜式電器上得到了廣泛應(yīng)用，隨著便攜式電器性能的不斷提升，其需要更多的能量和操作時(shí)間，并且希望降低鋰離子電池的體積和重量。

現(xiàn)有的鋰離子電池主要是采用石墨類材料作為負(fù)極活性材料，目前石墨的實(shí)際克容量已經(jīng)非常接近其理論容量372mAh/g，但是隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型負(fù)極材料，其體積能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了商業(yè)化的石墨材料。因此，我們可以通過(guò)材料新型負(fù)極材料來(lái)提高鋰離子電池的體積能量密度。硅具有較高的理論克比容量(4200mAh/g)，其結(jié)構(gòu)在首次嵌鋰結(jié)束后就轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定型態(tài)，并且在此后的循環(huán)過(guò)程中一直保持無(wú)定型態(tài)，硅在循環(huán)過(guò)程中不易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，具有較低的嵌鋰電位(〈O. 5V)，而且硅資源豐富，環(huán)境友好，是一種具有發(fā)展前景的新型負(fù)極材料。但是硅在嵌/脫鋰過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的體積變化(變化率超過(guò)300%)，正是由于巨大的體積變化，使得材料的結(jié)構(gòu)迅速坍塌、粉化及從集流體上脫落，電子不能迅速轉(zhuǎn)移導(dǎo)致材料電化學(xué)性能急劇下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的為提供一種避免硅碳材料在脫嵌鋰離子時(shí)脫落的硅碳負(fù)極極片及其制作方法、和使用該負(fù)極的鋰離子電池及其制作方法。本發(fā)明提出一種硅碳負(fù)極極片，包括集流體和活性層，還包括緩沖層，所述緩沖層位于所述集流體和活性層之間。優(yōu)選地，所述集流體為銅箔材料，所述緩沖層為石墨材料，所述活性層為硅碳材料。優(yōu)選地，所述緩沖層厚度大于20Mm。優(yōu)選地,所述活性層厚度大于15Mm。本發(fā)明還提出一種硅碳負(fù)極極片的制作方法，包括步驟制備緩沖層漿料；將所述緩沖層漿料涂覆在集流體上，經(jīng)輥壓形成緩沖層；制備活性層漿料；將所述活性層漿料涂覆在所述緩沖層上，經(jīng)輥壓形成活性層。優(yōu)選地，所述緩沖層漿料為石墨漿料，所述制備緩沖層漿料的具體步驟如下，以下步驟所涉及的各組分按照重量分計(jì)將94-96份石墨、1-3份導(dǎo)電劑、1_2份分散劑加入溶劑中，攪拌分散，形成均勻的石墨混合物；在所述石墨混合物中加入1-3份的粘結(jié)劑，并進(jìn)行攪拌，控制所述石墨漿料粘度為700-2000mPa S，得到石墨漿料。優(yōu)選地，所述活性層漿料為硅碳漿料，所述制備活性層漿料的具體步驟如下，以下步驟所涉及的各組分按照重量分計(jì)將94-96份硅碳SiC、1-2份導(dǎo)電劑、1_2份分散劑加入溶劑中，攪拌分散，形成均勻的娃碳混合物；在所述硅碳混合物中加入1-2份的粘結(jié)劑，并進(jìn)行攪拌，控制所述硅碳漿料粘度為700-2000mPa S，得到硅碳漿料。優(yōu)選地，所述經(jīng)輥壓形成的緩沖層厚度大于20Mffl，所述經(jīng)輥壓形成的活性層厚度大于15Mm。 本發(fā)明還提出一種鋰離子電池，硅碳負(fù)極極片，所述硅碳負(fù)極極片具體包括集流體和活性層，還包括緩沖層，所述緩沖層位于所述集流體和活性層之間。本發(fā)明還提出一種鋰離子電池的制作方法，包括步驟制作硅碳負(fù)極極片和正極極片；將所述硅碳負(fù)極極片、隔膜和正極極片依次疊放或卷繞，制成裸電芯；在所述裸電芯外部包裹電池外殼。其中，所述硅碳負(fù)極極片的制作方法包括步驟制備緩沖層漿料；將所述緩沖層漿料涂覆在集流體上，經(jīng)輥壓形成緩沖層，所述緩沖層包裹在所述集流體外表面；制備活性層漿料；將所述活性層漿料涂覆在所述緩沖層上，經(jīng)輥壓形成活性層，所述活性層包裹在所述緩沖層外表面。本發(fā)明在集流體和活性層之間添加石墨緩沖層，當(dāng)硅碳活性層因嵌鋰體積膨脹時(shí)，吸收體積膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力；當(dāng)硅碳活性層因脫鋰體積縮小時(shí)，將吸收的應(yīng)力釋放出來(lái)，保證了硅碳活性層不會(huì)產(chǎn)生粉化和脫落；石墨緩沖層表面粗糙，能夠使硅碳活性層與緩沖層之間緊密粘結(jié)，保證了硅碳活性層在脫嵌鋰離子時(shí)不脫落；同時(shí)由于石墨的電子導(dǎo)電性比硅碳的電子導(dǎo)電性要高，從而使得極片在充放電過(guò)程中提高負(fù)極極片的導(dǎo)電率，降低負(fù)極極片的極化，有利于形成良好的SEI膜，有效改善電池的循環(huán)性能，提高了電池的體積能量密度，實(shí)現(xiàn)了硅碳負(fù)極的實(shí)用化。


圖I為本發(fā)明一實(shí)施例中硅碳負(fù)極極片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中硅碳負(fù)極極片的制作方法的流程圖；圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的硅碳負(fù)極極片的制作方法中制備緩沖層漿料的步驟流程圖；圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的硅碳負(fù)極極片的制作方法中制備活性層漿料的步驟流程圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中鋰離子電池的制作方法的流程圖；圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中具有硅碳負(fù)極極片的鋰離子電池的循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果圖。本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖I所示，圖I為本發(fā)明一實(shí)施例中硅碳負(fù)極極片的結(jié)構(gòu)示意圖，該實(shí)施例提到的硅碳負(fù)極極片，包括集流體10和活性層20，還包括緩沖層30，緩沖層30位于集流體10和活性層20之間。其中，集流體10為銅箔材料，緩沖層30為石墨材料，活性層20為硅碳材料。緩沖層的厚度根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，考慮到電池用石墨的粒徑和涂覆精度，緩沖層厚度應(yīng)大于20Mm，本實(shí)施例將緩沖層厚度設(shè)計(jì)為30Mm?；钚詫雍穸瓤筛鶕?jù)鋰離子電池的實(shí)際容量要求進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，通常活性層厚度大于15Mm，本實(shí)施例將活性層厚度設(shè)計(jì)為 20Wno當(dāng)硅碳材料作為活性層20時(shí)，在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的體積變化，導(dǎo)致活性材料的粉化，甚至從集流體10上脫落。因此，本實(shí)施例在集流體10和活性層20之間添加緩沖層30，當(dāng)硅碳材料的活性層20在嵌鋰的時(shí)候，體積膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力被緩沖層30吸收；當(dāng)硅碳材料的活性層20在脫鋰的時(shí)候體積縮小，緩沖層30再將所吸收的應(yīng)力釋放出來(lái)，給硅碳材料施加一個(gè)力，從而保證了硅碳材料不會(huì)產(chǎn)生粉化和脫落。同時(shí)，由于緩沖層30是由石墨材料組成，其表面比較粗糙，能夠使得硅碳活性層20與緩沖層30之間緊密地粘結(jié)在一起，從而保證了硅碳材料在脫嵌鋰離子的時(shí)候不會(huì)脫落，實(shí)現(xiàn)了硅碳負(fù)極的實(shí)用化。此外，將石墨材料作為緩沖層30，一方面由于石墨材料在充放電的過(guò)程中體積變化小，通常為10%左右，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，且其本身就是一種很好的離子和電子導(dǎo)體，經(jīng)常被用作高容量負(fù)極的基體材料，并且具有與硅相似的嵌鋰電位；另一方面，由于石墨也是現(xiàn)行主流的鋰離子電池負(fù)極材料，能夠進(jìn)行脫嵌鋰，不會(huì)降低鋰離子電池的體積能量密度，提高了電池的體積能量密度；同時(shí)由于石墨的電子導(dǎo)電性比硅碳的電子導(dǎo)電性要高，從而使得極片在充放電過(guò)程中提高負(fù)極極片的導(dǎo)電率，降低負(fù)極極片的極化，有利于形成良好的SEI膜。因此，石墨材料可以用來(lái)作為硅碳負(fù)極的基體材料，也可用作緩沖材料，用來(lái)改善硅碳負(fù)極材料在充放電循環(huán)過(guò)程中所產(chǎn)生的體積效應(yīng)，有效改善電池的循環(huán)性能。本發(fā)明還提出一種鋰離子電池，包括硅碳負(fù)極極片，該硅碳負(fù)極極片具體包括集流體10和活性層20，還包括緩沖層30，緩沖層30位于集流體10和活性層20之間。本發(fā)明鋰離子電池中的硅碳負(fù)極極片可包括前述圖I所示實(shí)施例中所有技術(shù)方案，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)及應(yīng)力吸收與釋放原理可參照前述實(shí)施例，在此不作贅述。由于采用前述硅碳負(fù)極極片的方案，本發(fā)明鋰離子電池對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池而言，電池容量保持率高，循環(huán)性能好。如圖2所示，圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中硅碳負(fù)極極片的制作方法的流程圖，該實(shí)施例提到的硅碳負(fù)極極片的制作方法，包括步驟S10，制備緩沖層漿料；步驟S20，將緩沖層漿料涂覆在集流體上，經(jīng)輥壓形成緩沖層；
本實(shí)施例的集流體為銅箔材料，在銅箔上進(jìn)行雙面涂布，使緩沖層包裹在集流體外表面，經(jīng)輥壓后，形成一定厚度的緩沖層，緩沖層的厚度根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，考慮到電池用石墨的粒徑和涂覆精度，緩沖層厚度應(yīng)大于20Mm，本實(shí)施例將緩沖層厚度設(shè)計(jì)為 30Mm。步驟S30，制備活性層漿料；步驟S40，將活性層漿料涂覆在緩沖層上，經(jīng)輥壓形成活性層。本實(shí)施例經(jīng)涂覆后，使活性層包裹在緩沖層外表面，經(jīng)輥壓后，形成一定厚度的活性層，活性層厚度可根據(jù)鋰離子電池的實(shí)際容量要求進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，通常活性層厚度大于15Mm，本實(shí)施例將活性層厚度設(shè)計(jì)為20Mm。采用本實(shí)施例制得的硅碳負(fù)極極片，在集流體和活性層之間添加緩沖層，當(dāng)活性層在嵌鋰的時(shí)候，體積膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力被緩沖層吸收；當(dāng)活性層在脫鋰的時(shí)候體積縮小，緩沖層再將所吸收的應(yīng)力釋放出來(lái)，給活性層施加一個(gè)力，從而保證了活性層材料不會(huì)產(chǎn)生粉化和脫落。如圖3所示，圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的硅碳負(fù)極極片的制作方法中制備緩沖層漿料的步驟流程圖，緩沖層漿料為石墨漿料，步驟Sio的具體步驟如下，以下步驟所涉及的各組分按照重量分計(jì)

步驟SllJf 94-96份石墨、1_3份導(dǎo)電劑、1_2份分散劑加入溶劑中，攪拌分散，形成均勻的石墨混合物；步驟S12，在石墨混合物中加入1-3份的粘結(jié)劑，并進(jìn)行攪拌，以控制石墨漿料粘度為700-2000mPa S，得到石墨漿料。本實(shí)施例將石墨、導(dǎo)電劑、分散劑和溶劑先在雙行星攪拌機(jī)上攪拌4-6小時(shí)，使其分散均勻。其中，導(dǎo)電劑為炭黑super-p，分散劑為CMC(羧甲基纖維素鈉)，溶劑為水。再加入粘結(jié)劑進(jìn)行慢速攪拌，控制漿料的粘度為700-2000mPa S，得到石墨漿料，溶劑占硅碳漿料質(zhì)量的45%-60%。其中，本實(shí)施例的石墨漿料中，各物質(zhì)的質(zhì)量比為，活性物質(zhì)(石墨)導(dǎo)電劑粘結(jié)劑分散劑=94. 0 : 2.0 : 1.5 : 2. 5。本實(shí)施例中，緩沖層由石墨材料組成，其表面比較粗糙，能夠使得硅碳活性層與緩沖層之間緊密地粘結(jié)在一起，從而保證了硅碳材料在脫嵌鋰離子的時(shí)候不會(huì)脫落，有效改善硅碳材料的活性層與集流體之間的粘結(jié)力。如圖4所示，圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的硅碳負(fù)極極片的制作方法中制備活性層漿料的步驟流程圖，活性層漿料為硅碳漿料，步驟S30的具體步驟如下，以下步驟所涉及的各組分按照重量分計(jì)步驟S31，將94-96份硅碳SiC、l_2份導(dǎo)電劑、1_2份分散劑加入溶劑中，攪拌分散，形成均勻的娃碳混合物；步驟S32，在硅碳混合物中加入1-2份的粘結(jié)劑，并進(jìn)行攪拌，以控制硅碳漿料粘度為700-2000mPa S，得到硅碳漿料。本實(shí)施例將硅碳、導(dǎo)電劑、分散劑和溶劑先在雙行星攪拌機(jī)上攪拌6-8小時(shí)，使其分散均勻。其中，導(dǎo)電劑為炭黑super-p，分散劑為CMC (羧甲基纖維素鈉)，溶劑為有機(jī)溶劑或去離子水。再加入粘結(jié)劑進(jìn)行慢速攪拌，控制漿料的粘度為700-2000mPa *S，得到硅碳漿料，溶劑占硅碳漿料質(zhì)量的50%-65%。其中，本實(shí)施例的硅碳漿料中，各物質(zhì)的質(zhì)量比為，活性物質(zhì)(SiC):導(dǎo)電劑粘結(jié)劑分散劑=95. 5 : 1.5 : 1.5 : 1.5。
如圖5所示，圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中鋰離子電池的制作方法的流程圖，該實(shí)施例提到的鋰離子電池的制作方法，包括步驟S51,制作娃碳負(fù)極極片和正極極片；步驟S52，將硅碳負(fù)極極片、隔膜和正極極片依次疊放或卷繞，制成裸電芯；步驟S53，在裸電芯外部包裹電池外殼。其中，硅碳負(fù)極極片的制作方法采用以下步驟步驟S10，制備緩沖層漿料；步驟S20，將緩沖層漿料涂覆在集流體上，經(jīng)輥壓形成緩沖層，緩沖層包裹在集流體外表面； 步驟S30，制備活性層漿料；步驟S40，將活性層漿料涂覆在緩沖層上，經(jīng)輥壓形成活性層，活性層包裹在緩沖層外表面。本實(shí)施例的電池外殼為鋁塑膜，采用鋁塑膜包裝裸電芯。本發(fā)明鋰離子電池的制作方法中的硅碳負(fù)極極片的制作方法可包括前述圖2至4所示實(shí)施例中所有技術(shù)方案，其詳細(xì)制作方法及漿料配方可參照前述實(shí)施例，在此不作贅述。由于采用前述硅碳負(fù)極極片的制作方法的方案，本發(fā)明鋰離子電池的制作方法對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池的制作方法而言，制作出的鋰離子電池容量保持率高，循環(huán)性能好。如圖6所示，圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中具有硅碳負(fù)極極片的鋰離子電池的循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果圖。本實(shí)施例對(duì)所得的電池進(jìn)行常溫循環(huán)測(cè)試，具體為常溫IC充放電循環(huán)測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果中可以看出，經(jīng)過(guò)500周循環(huán)，電池容量保持率為83%，表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。此夕卜，本實(shí)施例將具有硅碳負(fù)極極片的鋰離子電池制成LXWXT=61. 5X42.0X4.5 (mm)，經(jīng)測(cè)量，其容量為1850mAh，內(nèi)阻為45m Q，電池的體積能
量密度得到明顯提高。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅碳負(fù)極極片，包括集流體和活性層，其特征在于，還包括緩沖層，所述緩沖層位于所述集流體和活性層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅碳負(fù)極極片，其特征在于，所述集流體為銅箔材料，所述緩沖層為石墨材料，所述活性層為硅碳材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅碳負(fù)極極片，其特征在于，所述緩沖層厚度大于20Mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的硅碳負(fù)極極片，其特征在于，所述活性層厚度大于15Mm。
5.一種硅碳負(fù)極極片的制作方法，其特征在于，包括步驟 制備緩沖層漿料； 將所述緩沖層漿料涂覆在集流體上，經(jīng)輥壓形成緩沖層； 制備活性層衆(zhòng)料； 將所述活性層漿料涂覆在所述緩沖層上，經(jīng)輥壓形成活性層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅碳負(fù)極極片的制作方法，其特征在于，所述緩沖層漿料為石墨漿料，所述制備緩沖層漿料的具體步驟如下，以下步驟所涉及的各組分按照重量分計(jì) 將94-96份石墨、1-3份導(dǎo)電劑、1-2份分散劑加入溶劑中，攪拌分散，形成均勻的石墨混合物； 在所述石墨混合物中加入1-3份的粘結(jié)劑，并進(jìn)行攪拌，控制所述石墨漿料粘度為700-2000mPa S，得到石墨漿料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的硅碳負(fù)極極片的制作方法，其特征在于，所述活性層漿料為硅碳漿料，所述制備活性層漿料的具體步驟如下，以下步驟所涉及的各組分按照重量分計(jì) 將94-96份硅碳SiC、1-2份導(dǎo)電劑、1-2份分散劑加入溶劑中，攪拌分散，形成均勻的硅碳混合物； 在所述硅碳混合物中加入1-2份的粘結(jié)劑，并進(jìn)行攪拌，控制所述硅碳漿料粘度為700-2000mPa S，得到硅碳漿料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的硅碳負(fù)極極片的制作方法，其特征在于，所述經(jīng)輥壓形成的緩沖層厚度大于20Mm，所述經(jīng)輥壓形成的活性層厚度大于15Mm。
9.一種鋰離子電池，其特征在于，包括如權(quán)利要求I至4任一項(xiàng)所述的硅碳負(fù)極極片。
10.一種鋰離子電池的制作方法，其特征在于，包括步驟 制作硅碳負(fù)極極片和正極極片，其中，所述硅碳負(fù)極極片采用如權(quán)利要求5至8任一項(xiàng)所述的硅碳負(fù)極極片的制作方法進(jìn)行制作； 將所述硅碳負(fù)極極片、隔膜和正極極片依次疊放或卷繞，制成裸電芯； 在所述裸電芯外部包裹電池外殼。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硅碳負(fù)極極片及其制作方法、鋰離子電池及其制作方法，硅碳負(fù)極極片包括集流體和活性層，還包括緩沖層，緩沖層位于集流體和活性層之間。本發(fā)明在集流體和活性層之間添加石墨緩沖層，當(dāng)硅碳活性層膨脹時(shí)，吸收應(yīng)力；當(dāng)硅碳活性層縮小時(shí)，釋放應(yīng)力，保證了硅碳活性層不會(huì)產(chǎn)生粉化和脫落；石墨緩沖層表面粗糙，能夠使硅碳活性層與緩沖層之間緊密粘結(jié)，保證了硅碳活性層在脫嵌鋰離子時(shí)不脫落；石墨的電子導(dǎo)電性高，使得極片在充放電過(guò)程中提高負(fù)極極片的導(dǎo)電率，降低負(fù)極極片的極化，有利于形成良好的SEI膜，有效改善電池的循環(huán)性能，提高了電池的體積能量密度，實(shí)現(xiàn)了硅碳負(fù)極的實(shí)用化。
文檔編號(hào)H01M4/134GK102769121SQ201210222548
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者嚴(yán)磊, 李科, 王濤, 許晶, 賴桂棠, 陳興榮 申請(qǐng)人:深圳市海太陽(yáng)實(shí)業(yè)有限公司