[發明專利]一種用作鋰離子電池負極的高能復合材料及制造工藝

無效

• 申請號: 200910249942.2
• 申請日: 2009-12-07
• 公開（公告）號: CN101841035A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 耿世達
• 申請（專利權）人: 耿世達
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/139
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種用作鋰離子電池負極的高能復合材料及制造工藝。

背景技術

二次電池是自上個世紀九十年代以來繼鎳氫電池之后的新一代電池以鋰離子電池為代表，因其具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電小、無記憶效應等優點，成為目前高檔電子消費品首選的化學電源，并已經滲透到航空航天、軍事等尖端技術領域。伴隨著其與日俱增的需求，二次電池正成為新世紀科學技術研究與開發的重點和熱點。

目前商業化應用中最多的是石墨類負極材料，但其理論比容量只有372mAh/g，限制了鋰離子電池容量的進一步提高。目前學術界對一些新型負極材料如Al、Sn、Sb、Si及其合金材料研究非常活躍，因其具有遠比石墨高的比容量，如單晶硅比容量可以高達4200mAh/g。但該類負極材料高的體積效應造成了較差的循環穩定性，影響了其商業化進程。因此如何使這些材料可以實用化是當今鋰離子電池研究的熱點問題。

目前，研究人員采用了各種硅的復合材料，如Si-Ni合金、Ti-Si合金等材料，單獨或者與石墨進行復合制作硅碳材料，在循環性能上得到了一定的改善但依然不夠理想。除采用硅復合材料以外，還有研究人員采用了硅納米線(直徑15nm、長度幾百納米)制作負極材料，雖然顯著提高了其容量及循環性能，但是制作成本高昂，大規模商用困難。

發明內容

本發明的目的是提供一種用作鋰離子電池負極的高能復合材料及制造工藝。

為實現上述發明目的，本發明給出了一種用作鋰離子電池負極的高能復合材料的技術方案，該復合材料由核體材料和殼體材料構成，用殼體材料包覆核體材料，所述核心材料為碳材料、硅粉、糖微球的一種或多種的混合物，所述殼體材料為熱解碳。

在上述技術方案中，所述核體材料的重量百分比為10％～60％，所述殼體材料的熱解碳重量百分比為40％～90％。

所述碳材料為天然石墨微粉，煤系、石油系針狀焦微粉，或者中間相碳微球的一種或幾種，其純度為99.9％～99.99999999％，粒度在3～50μm之間。所述硅粉為單晶硅粉或多晶硅粉，純度為99％～99.999999％，其顆粒為微米級及亞微米級，粒度在0.1～25μm之間。所述糖微球采用糖類在高溫爐中經過600℃高溫炭化處理制得，粒度在3～50μm之間。所述熱解碳是以納米級中間相瀝青為前驅體材料制得。形成熱解碳殼體結構的前驅體材料納米級中間相瀝青，是將中間相瀝青浸入納米研磨機進行濕式研磨2-3小時得到，研磨后中間相瀝青的粒度為30nm至50nm。

為實現上述發明目的，本發明還給出了制造工藝，步驟和條件如下：

(1)混合：

將用于核體材料的10％～60％硅粉、糖微球的一種或兩者的混合物與用于殼體材料的40～90％納米級中間相瀝青同時放入到有惰性氣體保護的高溫反應釜，高溫反應釜升溫速率為每1小時升溫100℃、加溫時間為3～5小時，攪拌速度為60～300轉/分鐘；

(2)包覆：

反應釜溫度降到200℃-300℃，壓力為10^-5-10^-3Pa，反應2～3小時，使殼體材料包覆核體材料；

(3)碳化：

將已包覆材料放入真空干燥爐，控制溫度在400℃-500℃，壓力為10^-5-10^-3Pa，干燥時間為2-3小時；干燥后送入高溫碳化真空爐，控制壓力為10^-4-10^-1Pa，升速率為每小時升溫100℃，使高溫碳化真空爐的溫度為700-1600℃，高溫碳化爐內加有高強磁場，高強磁場的強度范圍為100-20000GS，碳化過程時間為12-20小時；

(4)石墨化：

碳化處理后的包覆材料送入高溫石墨化真空爐，控制壓力為10^-4-10^-1Pa，升溫速率為每小時升溫100℃，使高溫石墨化真空爐的溫度為1600-3000℃，高溫石墨化爐內加有高強磁場，強度范圍為100-20000GS，石墨化過程時間為12-20小時，得到均勻的復合材料。

本發明的有益效果是，采用納米級中間相瀝青殼體材料包覆核體心材料碳材料、硅粉或者糖微球的一種或幾種的混合物，形成具有核殼結構的復合材料，該復合材料比容量高，二次電池充放電電壓低，充放電平臺長，循環壽命好。

附圖說明

圖1是本發明一種用作鋰離子電池負極的高能復合材料的制造工藝步驟示意圖。