[發明專利]一種內部含有三維導電結構的鋰離子電池負極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010181386.2
• 申請日: 2010-05-25
• 公開（公告）號: CN101986442A
• 公開（公告）日: 2011-03-16
• 發明（設計）人: 耿世達
• 申請（專利權）人: 耿世達
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/62;H01M4/139
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種內部含有三維導電結構的鋰離子電池負極材料，特別是涉及一種采用納米碳材料和納米金屬或金屬化合物分別兩次包覆納米硅粉的鋰離子電池負極材料。

背景技術

自1991年日本Sony公司將鋰離子電池商品化以來，鋰離子電池以其能量密度高、工作電壓高、負載特性好、充電速度快、安全無污染等優點，迅速在移動電話、微型相機、掌上電腦、筆記本電腦等領域得到了廣泛的應用。

在鋰離子電池中，負極材料的容量是影響電池容量的重要因素之一。目前，生產中主要采用石墨或改性的石墨為鋰離子電池的負極材料。然而，石墨的理論嵌鋰最大容量僅為372mAh/g。為了滿足高比能量的鋰離子電池的需要，尋找超高貯鋰能力的負極材料一直是鋰離子電池領域的研究熱點。

目前研究的較為成功的碳負極材料有人造石墨、中間相碳微球(MCMB)、石油焦炭、碳纖維、裂解聚合物等。通常，鋰在碳材料中形成的化合物的理論表達式是LiC6，按化學計量的理論比容量為372mAh/g。近年來隨著對碳材料研究工作的不斷深入，已經發現通過對石墨和各類碳材料進行表面改性和結構調整，或使石墨部分無序化，或在各類碳材料中形成納米級的孔、洞和通道等結構，鋰在其中的嵌入/脫嵌不但可以按化學計量LiC6進行，而且還可以有化學非計量嵌入/脫嵌，其比容量大大增加，由LiC6的理論值372mAh/g提高到700～1000mAh/g，從而使鋰離子電池的比容量大大增加。

碳作為鋰離子電池負極材料由于存在比容量低，首次充放電效率低，形成SEI膜，以及高溫電解質分解帶來的不安全等問題，人們已經開始了其它新型高比容量的非碳負極材料的研究。

硅具有4200mAh/g的理論嵌鋰容量，是一類有發展前景的負極材料，但首次不可逆容量大，循環性能差，難以直接作為鋰離子電池的負極材料。納米化可以在保證嵌鋰容量的前提下改善電極的循環性能，但仍然難以滿足鋰離子電池的要求。

發明內容

本發明采用納米硅粉為內核，用納米碳材料包覆納米硅粉形成含核導電體，用納米金屬或金屬氧化物對含核導電體再次包覆，經兩次包覆即構成一種內部含有三維導電結構的鋰離子電池負極材料硅微米粒子，并給出了該負極材料的制備方法。

其中，所述的含核導電體殼層及內核形成第一導電層，再次包覆的殼體形成第二導電層，第二導電層與第一導電層共同形成三維導電網絡。

所述的納米碳材料為天然石墨、人造石墨、納米碳管、納米碳微球、碳纖維中的一種或幾種。

所述的納米金屬或金屬化合物為納米金屬銀、銅、鋁、氧化鎂、氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鋁中的一種或幾種。

所述的硅微米粒子粒度為2-100um。

所述的納米硅粉粒度為2-100nm。

一種內部含有三維導電結構的鋰離子電池負極材料的制備方法，其步驟條件為：

(1)首次包覆：將重量百分比20％～60％的納米硅粉與重量百分比40～80％的納米碳材料同時放入納米高溫高壓蒸氣混合機中，蒸氣溫度范圍為100-600℃，以高溫蒸氣為載體使納米硅粉與納米碳材料混合，同時在納米高溫高壓蒸氣混合機內進行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機升溫速率為每1小時升溫100℃，溫度升至500-1000℃，保溫時間為2～10小時，攪拌速度為60～300轉/分鐘；納米高溫高壓蒸氣混合機溫度降到300℃-500℃，壓力為10^-5-10^-3Pa，反應1～10小時，使納米碳材料包覆納米硅粉；

(2)再次包覆：將步驟(1)中的包覆物與納米金屬或金屬化合物按照重量百分比10％～50％∶50～90％，同時放入納米高溫高壓蒸氣混合機中，蒸氣溫度范圍為100-600℃，以高溫蒸氣為載體使包覆物與納米金屬或金屬化合物混合，同時在納米高溫高壓蒸氣混合機內進行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機升溫速率為每1小時升溫200℃，溫度升至400-1000℃，保溫時間為5～20小時，攪拌速度為60～300轉/分鐘；反應釜溫度降到400℃-800℃，壓力為10^-5-10^-3Pa，反應2～20小時，對包覆物進行二次包覆。

本發明制備的鋰離子電池負極材料，內部形成三維導電結構，材料應用于鋰離子電池負極材料，其容量大于1500mAh/g，500次循環容量保持80％以上。

附圖說明

圖1是本發明內部含有三維導電結構的鋰離子電池負極材料結構示意圖。