CN110911732A - 一种长寿命高容量硅负极锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，是使负极容量超级过量，是正极容量的1.2~4倍；同时采用极性互换过渡藏锂法对负极进行补锂，是指在硅负极材料搅拌时加入碳酸锂、草酸锂、氢氧化锂锂源材料，在正极材料搅拌时加入石墨、硅、硫、磷储锂材料，当电池注液后，以电池负极接充电器正极，以电池正极接充电器负极充电，待预混合在硅负极材料中的锂源中的锂全部进入预混合在正极材料中的储锂材料中后，停止充电，然后电池正极接充电器正极、电池负极接充电器负极对电池进行充电化成，锂先嵌入负极，在负极表面形成SEI膜，减少正极锂的消耗，提高了电池的容量，硅负极膨胀也很小，提高了硅负极的稳定性，延长了电池的使用寿命。

Description

一种长寿命高容量硅负极锂离子电池

技术领域

本发明属于锂离子电技术领域，具体涉及一种长寿命高容量硅负极锂离子电池。

背景技术

随着锂离子电池技术的不断发展，高比能锂离子电池的发展已经成为了一股无法阻挡的潮流。为了提高锂离子电池的比能量，需要从新材料开发等方面进行着手。新材料开发方面主要是开发容量更高的正负极材料，以及电压更高的正极材料，通过提高正负极材料本身的比容量和电压来达到提高电池能量密度的目的。

在目前众多的高容量负极材料中，Si基负极材料凭借着丰富的资源储量，低廉的价格获得了广泛的关注和研究，是目前生产和应用技术最为成熟，商业化程度最高的高容量负极材料之一，也是下一代高比能锂离子电池负极材料的强有力竞争者。

硅材料最大的优势是容量高，在完全嵌锂状态下硅材料的比容量可达4200mAh/g，达到石墨材料的10倍以上，甚至要比金属锂负极的容量（3860mAh/g）还要高，但是硅负极材料也存在严重的体积膨胀问题，在完全嵌锂状态下，Si负极的体积膨胀可达300%以上，这不仅仅会导致Si负极的颗粒破碎，还会破坏电极的导电网络和粘接剂网络，导致活性物质损失，从而严重影响硅负极材料的循环性能，这也成为了阻碍Si负极材料应用最主要的障碍。以硅半电池为例，在初次放电进程中，跟着电压的下降，首先构成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的核壳构造。跟着嵌锂深度的添加，锂离子与内部晶体硅反响生成硅锂合金，终究以Li₂₂Si₅等的合金方式存在，嵌锂数量越多，体积膨胀越剧烈，嵌锂数量越少，体积膨胀越微弱。

发明内容

本发明提供一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，是使负极容量超级过量，负极容量是正极容量的1.2~4倍，同时采用极性互换过渡藏锂法对负极进行补锂； 所述的极性互换过渡藏锂法是指，在硅负极材料搅拌时加入碳酸锂、草酸锂、氢氧化锂锂源材料，在正极材料搅拌时加入石墨、硅、硫、磷储锂材料，当电池注液浸润后，以电池负极接充电器正极，以电池正极接充电器负极充电，待预混合在硅负极材料中的锂源中的锂全部进入预混合在正极材料中的储锂材料中后，停止充电，然后电池正极接充电器正极、电池负极接充电器负极对电池进行充电化成，过渡到储锂材料中的锂先嵌入负极，在负极表面形成SEI膜，从而减少正极锂的消耗量和提高整个电池的容量。

所述的硅负极材料包括纳米硅、氧化亚硅、硅合金、硅纳米线。

所述的长寿命高容量硅负极锂离子电池的制作过程为：按照负极容量是正极容量的1.2~4倍的设计，按比例称取负极活性物质、导电添加剂、粘合剂、锂源材料，加入搅拌釜搅拌一段时间，再加入NMP或者DMF、水稀释剂再搅拌一段时间，然后涂布；同时按比例称取正极活性物质、导电添加剂、粘合剂、储锂材料，加入搅拌釜搅拌一段时间，再加入NMP或者DMF、水稀释剂再搅拌一段时间，然后涂布；最后将正、负极片辊轧、裁片、卷绕、焊接、封装、烘烤、注液、化成等制成长寿命高容量硅负极锂离子电池。

本发明的有益效果是，使负极容量超级过量，负极容量是正极容量的1.2~4倍，同时采用极性互换过渡藏锂法对负极进行补锂，这样电池充满电时每个硅原子接受的锂离子比正常电池少的多，因而硅负极的膨胀也小的多，从而提高了硅负极的稳定性，延长了电池的使用寿命。

具体实施方式

下面叙述的案例是对本发明的补充说明，而非是对本发明的限制。

实施例1：

一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，循环寿命2000次以上的纳米硅负极4.5Ah18650锂离子电池。负极过量比设计为400%。

取8.8千克纳米硅粉，加入搅拌缸，加入0.41千克导电炭黑， 1.8千克碳酸锂，先慢搅30分钟，然后加入3.2千克PAA溶液以及6.4千克水慢搅拌30分钟，然后高速搅拌5小时。同时取三元材料46.25千克、纳米硅粉0.5千克，导电剂2.0千克、粘合剂PVDF1.25千克，先慢搅30分钟，然后加入50千克NMP溶液慢搅拌30分钟，然后高速搅拌5小时。搅拌成浆料后，出浆、涂布、辊轧、裁片、焊接、入壳、焊底、滚槽、烘烤、注液、上密封夹具、浸液。然后将电池正极接到充电器负极上，电池负极接到充电器正极上，以225mA电流充电6小时。然后将电池正极接到充电器正极上，电池负极接到充电器负极上，以225mA电流充电2小时，以675mA充电6小时。最后，取下密封夹具，焊盖帽封口即获得本发明电池。

实施例2：

一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，循环寿命2000次以上的纳米硅负极7.3Ah21700锂离子电池。负极过量比设计为300%。

取20.7千克纳米硅粉，加入搅拌缸，加入0.2千克导电炭黑， 12.0千克碳酸锂，先慢搅30分钟，然后加入0.3千克SBR、0.5千克CMC以及40.0千克水慢搅拌30分钟，然后高速搅拌5小时。同时取三元材料390.0千克、纳米硅粉2.3千克，导电剂2.0千克、粘合剂PVDF6.0千克，先慢搅30分钟，然后加入400.0千克NMP溶液慢搅拌30分钟，然后高速搅拌5小时。搅拌成浆料后，出浆、涂布、辊轧、裁片、焊接、入壳、焊底、滚槽、烘烤、注液、上密封夹具、浸液。然后将电池正极接到充电器负极上，电池负极接到充电器正极上，以365mA电流充电6小时。然后将电池正极接到充电器正极上，电池负极接到充电器负极上，以365mA电流充电2小时，以1825mA充电6小时。最后，取下密封夹具，焊盖帽封口即获得本发明电池。

实施例3：

一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，循环寿命2000次以上的纳米硅负极50Ah10180270软包装锂离子动力电池。负极过量比设计为124%。

取168.0千克石墨，3.2千克纳米硅粉，加入搅拌缸，加入6.4千克SP导电炭黑， 0.9千克Ks-6导电炭黑，6.9千克碳酸锂，先慢搅30分钟，然后加入0.3千克SBR、0.5千克CMC以及235.0千克水慢搅拌30分钟，，然后高速搅拌5小时。同时取三元材料340.0千克、纳米硅粉1.31千克，导电剂7.2千克、粘合剂PVDF9.0千克，先慢搅30分钟，然后加入360.0千克NMP溶液慢搅拌30分钟，然后高速搅拌5小时。搅拌成浆料后，出浆、涂布、辊轧、裁片、焊接、冲壳、封装、烘烤、注液、浸液。然后将电池正极接到充电器负极上，电池负极接到充电器正极上，以2.5A电流充电6小时。然后将电池正极接到充电器正极上，电池负极接到充电器负极上，以2.5A电流充电2小时，以7.5A充电6小时。最后，抽气密封即获得本发明电池。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。

Claims (3)

1.一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，其特征在于，是使负极容量超级过量，负极容量是正极容量的1.2~4倍，同时采用极性互换过渡藏锂法对负极进行补锂； 所述的极性互换过渡藏锂法是指，在硅负极材料搅拌时加入碳酸锂、草酸锂、氢氧化锂锂源材料，在正极材料搅拌时加入石墨、硅、硫、磷储锂材料，当电池注液浸润后，以电池负极接充电器正极，以电池正极接充电器负极充电，待预混合在硅负极材料中的锂源中的锂全部进入预混合在正极材料中的储锂材料中后，停止充电，然后电池正极接充电器正极、电池负极接充电器负极对电池进行充电化成，过渡到储锂材料中的锂先嵌入负极，在负极表面形成SEI膜。

2.根据权利要求1所述的一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，其特征在于，所述的硅负极材料包括纳米硅、氧化亚硅、硅合金、硅纳米线。

3.根据权利要求1所述的一种长寿命高容量硅负极锂离子电池，其特征在于，所述的长寿命高容量硅负极锂离子电池的制作过程为：按照负极容量是正极容量的1.2~4倍的设计，按比例称取负极活性物质、导电添加剂、粘合剂、锂源材料，加入搅拌釜搅拌一段时间，再加入NMP或者DMF、水稀释剂再搅拌一段时间，然后涂布；同时按比例称取正极活性物质、导电添加剂、粘合剂、储锂材料，加入搅拌釜搅拌一段时间，再加入NMP或者DMF、水稀释剂再搅拌一段时间，然后涂布；最后将正、负极片辊轧、裁片、卷绕、焊接、封装、烘烤、注液、化成等制成长寿命高容量硅负极锂离子电池。