[發明專利]一種鋰離子電池負極用鋁碳基復合材料的制備方法

無效

• 申請號: 201110396019.9
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102420318A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 胡仁宗;孫威;劉輝;曾美琴;劉江文;朱敏
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，特別涉及到一種鋰離子電池負極用鋁碳基復合材料的制備方法。

背景技術

鋰離子二次電池具有工作電壓高、比容量大、使用壽命長、無環境污染等一系列顯著優點，已被廣泛應用于各種便攜式電子器件。為了滿足電動汽車、儲能電池、薄膜微電子等領域的需求，鋰離子電池須具有更高的容量和能量密度。負極材料作為鋰離子電池的關鍵組成部分，對電池的容量、壽命、安全性、成本等方面具有重要影響。因此，高性能負極材料的研究和開發對提高電池性能、降低成本具有重要意義。

目前商業化鋰離子電池負極材料采用的是具有良好循環性能的石墨碳材料，但其理論容量僅為372mAh/g，限制鋰離子電池比能量的進一步提高。純Al可作為鋰離子電池負極材料，它的理論比容量高達1000mAh/g。此外，在鋰離子嵌入和脫出的過程中，鋁負極具有穩定的嵌鋰和脫鋰平臺(分別為0.2V、0.45V)。但Al基負極材料在鋰脫/嵌過程中發生很大的體積膨脹與收縮，使得電極材料容易粉化而脫落，導致電池的循環容量迅速衰減。為了解決這個問題，目前大量研究工作主要集中在探索和開發具有納米結構的Al基金屬間化合物或復合物負極材料。

發明內容

本發明采用一種可以加大對處理粉末的有效能量輸入，加速粉末細化的介質阻擋放電等離子體輔助高能球磨的方法，快速制備鋰離子電池鋁碳基復合負極粉末；并創新性地結合Al基材料高容量與碳材料循環性能良好的優點，對純Al作為鋰電池負極材料循環性能和動力學性能差的缺點作出改進，并在此基礎上添加非活性氧化物助磨劑TiO₂與金屬Cu組成鋁碳基復合材料，公開了鋁碳基復合材料作為鋰離子電池負極的應用。

本發明的目的通過下述技術方案實現：鋰離子電池負極用鋁碳基復合材料的制備方法，其步驟為將石墨粉末、鋁粉末按質量比Al-Xwt％C混合后進行球磨，即得到鋁碳基復合材料；其中X為石墨占石墨與鋁混合粉末質量的百分比，30≤X≤70。

為更好地實現本發明，向上述石墨粉末、鋁粉末的混合粉末中添加第三組元金屬(Cu或TiO₂粉末)，然后再球磨，得到鋁碳基復合材料。其中第三組元金屬質量占鋁碳基復合材料質量的5-20％。

所述球磨采用介質阻擋放電等離子體輔助高能球磨法，球磨過程采用的放電氣體介質為惰性氣體。

球磨時間為2h～20h，球磨時磨球質量與混合粉末質量的球粉比為30∶1～70∶1。

在高能球磨過程中，可以引入其它物理能場(如超聲波、磁場、電場或溫度場)，使球磨的機械能與外加物理場的能量有機結合起來，共同作用到被處理的粉末上，從而實現多外場對粉末的協同作用，高效激活反應過程，被證明是加速粉末組織細化、促進合金化和固態反應進程，提高球磨效率。

其中介質阻擋放電等離子體作為一種非平衡等離子體，具有電子濃度大、電子平均能量高的優點，更為重要的是介質阻擋放電能夠在常壓氣氛中發生，并且能夠抑制火花放電或弧光放電的發生。

與傳統的制備技術相比，本發明具有以下優點：

(1)本發明采用等離子體輔助球磨法，在熱效應與機械破碎的協同作用下，Al粉末快速細化，其粒徑可以達到納米級。Al顆粒的微納米化可以減少電極在充放電過程中的體積膨脹效應，提高電極的循環性能。

(2)本發明在制備的Al-C復合材料中添加助磨劑TiO₂，可以制備出顆粒尺寸更為細小的Al-C系復合負極材料粉末，減少電極反應中Al的體積變化，達到改善循環性能的目的；或者向Al-C復合材料中添加導電性能優異的Cu金屬粉末，以期改善復合材料電極的導電性能。

(3)非機械力的高能輸入使碳的石墨化程度保持一定的完整性。本發明采用等離子體輔助球磨制備的產品粉末球磨10h后仍能明顯檢測到石墨的(002)晶面衍射峰；在相同的工藝參數下，普通球磨制備的產品粉末球磨10h后石墨的(002)晶面衍射峰幾乎消失不見。這表示通過等離子體輔助球磨制備的鋁碳基復合粉末中碳的層片狀結構破壞程度小，缺陷少，減少了首次不可逆容量，提高了首次充放電效率。

(4)本發明的高能球磨過程中等離子體粒子流、熱流與機械球磨力的協同作用起到了部分抑制粉末團聚的作用，使微納米結構的Al顆粒均勻分散在石墨基體上。

附圖說明

圖1是實施例6制備的AlC復合材料XRD譜圖；

圖2是實施例6制備的AlC復合材料的SEM圖；