[發(fā)明專利]錫碳復(fù)合納米纖維薄膜負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910089077.X
• 申請(qǐng)日: 2009-08-03
• 公開（公告）號(hào): CN101626075A
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于運(yùn)花;楊青;楊小平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/04
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 劉 萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池負(fù)極用錫/碳納米纖維復(fù)合薄膜材料及制備方法，屬于新型儲(chǔ)能材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有電壓高(一般鋰離子電池的工作電壓在3.6V左右)、體積小、質(zhì)量輕、比能量高、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小(月自放電率小于10％)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于便攜式電子電器電源，如手機(jī)電池、數(shù)碼電器電池等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。隨著宇航、交通、通訊和信息等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，航空航天空間技術(shù)、國(guó)防軍用微電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、移動(dòng)通訊產(chǎn)品以及防災(zāi)減災(zāi)器械備用電源等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)︿囯x子二次電池的比能量密度和循環(huán)壽命提出了更高的要求。因此研究如何提高鋰離子電池的比容量、首次充放電效率和循環(huán)性能是新型儲(chǔ)能材料領(lǐng)域重要的研究方向之一。

負(fù)極材料是提高鋰離子電池可逆容量與循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素之一。碳類負(fù)極材料由于在充放電過(guò)程中體積變化很小，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性能，而且其本身是離子與電子的混合導(dǎo)體而得以廣泛應(yīng)用，成為鋰離子電池常用的負(fù)極材料，但因其容量較低(372mAh/g)而不能滿足高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)τ诟弑饶芰棵芏鹊男枨螅虼诵滦拓?fù)極材料得到了廣泛的研究，其中錫負(fù)極材料因其良好的電導(dǎo)性以及較高的比容量得到了廣泛的研究(Y.Idota，T.Kubota，A.Matsufuji，Y.Maekawa，T.Miyasaka，Tin-based?amorphous?oxide：A?high-capacitylithium-ion-storage?material.Science，1997，276：1395)，但是限制其應(yīng)用的最主要問(wèn)題是在插鋰時(shí)合金會(huì)產(chǎn)生巨大的體積膨脹，造成電極粉化甚至脫落，電接觸變差而失效，循環(huán)性能不好。解決這一問(wèn)題的主要途徑是，將這些活性金屬錫顆粒與碳材料進(jìn)行復(fù)合改性，以協(xié)同發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)并彌補(bǔ)單一材料所具有的不足，提高儲(chǔ)鋰可逆比容量(Chia-Chin?Chang，*Shyh-Jiun?Liu，Jeng-Jang?Wu，Chien-Hsin?Yang.Nano-tin?Oxide/Tin?Particles?on?a?GraphiteSurface?as?an?Anode?Material?for?Lithium-Ion?Batteries[J].J.Phys.Chem.C，2007，111，16423-16427)。目前，金屬錫與碳材料復(fù)合的方法很多，如浸漬燒結(jié)法、模板法、球磨法和原位生長(zhǎng)法等，但是其要么工藝復(fù)雜，要么所制備的電極材料中錫只是復(fù)合在碳基體的表面，這部分錫粒子極容易團(tuán)聚，致使加劇容量的衰減(L.Balan?a，R.Schneider?b，P.Willmann?c，D.Billaud?a.Tin-graphite?materials?prepared?by?reduction?of?SnCl₄?in?organic?medium：Synthesis，characterization?and?electrochemical?lithiation.Journal?of?PowerSources，2006，161：587-593)。靜電紡絲是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的、制備碳納米纖維負(fù)載金屬或金屬氧化物納米離子的有效方法(L.Wang，Y.Yu，P.C.Chen，D.W.Zhang，C.H.Chen.Electrospinning?synthesis?of?C/Fe₃O₄?composite?nanofibers?andtheir?application?for?high?performance?lithium-ion?batteries.Journal?of?PowerSources，2008，10756-10763)。迄今為止，未見應(yīng)用靜電紡絲法制備鋰離子電池負(fù)極用錫/碳納米纖維復(fù)合薄膜材料的文獻(xiàn)報(bào)道和發(fā)明/實(shí)用專利。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種鋰離子電池負(fù)極用錫/碳納米纖維復(fù)合薄膜材料及其制備方法。利用靜電紡絲法制備出一種錫/碳納米纖維復(fù)合薄膜材料，采用多孔穴、多缺陷以及具有較高電導(dǎo)率和鋰離子存儲(chǔ)效率的碳納米纖維作為金屬錫的載體，由于纖維內(nèi)部的阻隔作用以及纖維與纖維之間形成網(wǎng)絡(luò)的阻隔作用可以緩沖活性金屬錫嵌脫鋰離子時(shí)的巨大體積膨脹/收縮變化，極大地抑制電極材料的粉化、崩裂和團(tuán)聚，從而能夠提高電極材料的循環(huán)性能和保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，獲得可逆比容量高和循環(huán)性能好的負(fù)極材料。

本發(fā)明所述的鋰離子電池負(fù)極用錫/碳納米纖維復(fù)合薄膜材料中，錫的摻雜量占復(fù)合材料的10～30wt％，錫的粒徑為10-150nm，碳納米纖維的直徑為300～500nm，纖維網(wǎng)格空隙為0.5-5μm。