[發(fā)明專利]一種鋰離子電池用硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410051111.5
• 申請(qǐng)日: 2014-02-14
• 公開（公告）號(hào): CN104852019A
• 公開（公告）日: 2015-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧世剛;王建濤;王耀;黃斌;楊娟玉;譚翱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38
• 代理公司: 北京北新智誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青;熊國(guó)裕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池用硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

自1991年鋰離子電池由sony公司商業(yè)化以來(lái)，隨著研究的發(fā)展深入，鋰離子電池已經(jīng)應(yīng)用于手提電腦、手機(jī)和相機(jī)等需要移動(dòng)電源的領(lǐng)域。不遠(yuǎn)的將來(lái)，鋰離子電池的發(fā)展方向決定那些能夠應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域的高比能量、長(zhǎng)壽命、低成本的鋰離子電池將成為研究的重點(diǎn)。目前正極材料如錳酸鋰(LiMn₂O₄)、鈷酸鋰(LiCoO₂)、磷酸鐵鋰(LiFePO₄)和三元材料的技術(shù)突破為這類電池奠定了基礎(chǔ)，然而商業(yè)化的負(fù)極材料碳的比容量已經(jīng)接近372mAh／g的理論值，難以再提高，不能滿足人們對(duì)鋰離子電池日益增長(zhǎng)的比能量的需求。因此，尋找高比容量負(fù)極材料成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。在各種非碳負(fù)極材料中，硅金屬合金材料以其較高的體積比容量、簡(jiǎn)單的合成方法(高能球磨)以及較好的安全性等優(yōu)點(diǎn)使其成為新型負(fù)極材料研究的一個(gè)方向。

相對(duì)于純硅而言，硅金屬合金的電化學(xué)性能有較大的改善，然而，大多數(shù)的硅金屬合金負(fù)極材料沒有利用到合金的協(xié)同效應(yīng)，存在充放電過程中體積膨脹較大的問題。

針對(duì)硅金屬合金負(fù)極材料存在的問題，目前研究者提出材料進(jìn)一步復(fù)合化的方法，通過引入其他元素進(jìn)一步緩解合金在充放電過程中的體積膨脹所帶來(lái)的張力以改進(jìn)合金材料的性能。因此，開發(fā)一種能夠解決硅金屬合金在嵌／脫鋰過程中體積膨脹所帶來(lái)的容量衰減問題，得到高循環(huán)穩(wěn)定性的硅金屬合金負(fù)極材料，將對(duì)促進(jìn)硅金屬合金負(fù)極復(fù)合材料在鋰離子電池中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決硅金屬合金復(fù)合材料在嵌／脫鋰過程中體積膨脹所帶來(lái)的容量衰減問題，以實(shí)現(xiàn)硅金屬合金負(fù)極材料高的循環(huán)穩(wěn)定性，為此本發(fā)明提供一種具有新型結(jié)構(gòu)的鋰離子電池用硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述鋰離子電池用硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種鋰離子電池用硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料，該復(fù)合負(fù)極材料是由含硅材料SiO_x與含金屬氧化物材料MO_y相互填充，并由無(wú)定形碳包覆后分散在石墨材料中所形成，其中0≤x≤2，0≤y<4；該復(fù)合負(fù)極材料的化學(xué)計(jì)量式為SiM_zO_w-aC，其中0<a≤100，0<z≤10，0≤w<4；M為Ni、Sn、Ti、Co、A1、Pb、As、Fe、Cu、Mg、Zn、Mn以及Sb中的一種或多種。

本發(fā)明的硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料具有新型的硅金屬合金基復(fù)合結(jié)構(gòu)，活性的納米硅金屬合金材料分散在作為緩沖基底的氧化物中，同時(shí)通過添加石墨來(lái)改善材料的導(dǎo)電性能和倍率性能。

所述復(fù)合負(fù)極材料可以直接單獨(dú)用于鋰離子電池，也可以1wt％～99wt％的比例與其它儲(chǔ)鋰材料混合使用，且其它儲(chǔ)鋰材料為石墨、Sn合金或過渡金屬氧化物，優(yōu)選為石墨、過渡金屬及其氧化物中的一種或幾種。

一種所述鋰離子電池用硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料的制備方法，該方法包括以下步驟：

(1)稱取一定量的含硅材料SiO_x、含金屬氧化物材料MO_y、有機(jī)碳和石墨前驅(qū)體原料，經(jīng)螺桿擠壓0.5～24h，使前驅(qū)體原料充分混合；

(2)混合后的前驅(qū)體原料于保護(hù)性氣氛中，在600℃～1400℃煅燒0.5～12h，再經(jīng)后處理得到硅金屬?gòu)?fù)合負(fù)極材料。

其中，所述含硅材料SiO_x的粒徑小于50μm；所述含金屬氧化物材料MO_y的粒徑小于30μm。

所述有機(jī)碳為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、蔗糖、葡萄糖、淀粉、糠醛樹脂、羥乙基纖維素、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、瀝青中的一種或幾種的組合。

所述石墨為天然石墨、人造石墨或中間相碳微球中的一種或幾種的組合。

所述步驟(1)中含硅材料SiO_x、含金屬氧化物材料MO_y、有機(jī)碳和石墨的質(zhì)量百分比分別為：含硅材料SiO_x5～70％，含金屬氧化物材料MO_y5～40％，有機(jī)碳0～30％且不為0，石墨0～90％且不為0。

所述保護(hù)性氣氛為氬氣、氮?dú)夂蜌鍤浠旌蠚?氬氣和氫氣的混合氣體)中的一種或多種。