[發明專利]一種高容量鋰電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410284848.1
• 申請日: 2014-06-24
• 公開（公告）號: CN104022273A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 姜濤;陳慧明;王金興;張克金
• 申請（專利權）人: 中國第一汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王薇

技術領域

本發明涉及一種高容量鋰電池負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池材料技術領域。

背景技術

鋰離子電池是一種非常常見的儲能裝置，在我們的日常生活中隨處可見。構成鋰電池的主要組成報告，正極材料、負極材料、電解液、隔膜材料。其中，正、負極材料決定著電池的能量密度和循環壽命，電解液和隔膜決定著電池的安全性能。對于未來的鋰電池，人們希望它能夠擁有更高的能量密度和安全性能，這樣才能夠大規模的應用，包括未來的電動汽車，儲能電站等等。

傳統的負極材料大多使用石墨類材料，該材料實際放電電壓為0.2V左右，放電容量為300mAh/g左右，這個容量是遠遠不能夠滿足未來鋰電池的需求的。近些年來，Si材料引起了人們的廣泛重視，該材料的理論容量可達2000mAh/g以上，是石墨的五倍多，且放電平臺與之相當，具有非常好的應用前景。但是，Si材料由于本身結構的原因，在充放電過程中存在巨大的體積改變，導致用其作為負極的鋰離子電池使用過程中容易發生安全事故。

針對Si體積膨脹和粉化問題的主要解決辦法是制備Si/C復合材料，利用C作為Si的緩沖空間，有效緩解了Si的安全性問題。但傳統制備Si/C負極材料的方法多采用溶膠-凝膠法，即將有機高分子與Si粉簡單混合后，在惰性氣體下進行燒結，這樣有機高分子可以生成C材料，進而實現制備Si/C復合材料的目的。但該方法存在的缺點是：溶膠-凝膠法通常不利于工業化生產，且重復性較差；有機高分子燒結產生的C通常為無定形形式，電導率較低；材料通常具有較大顆粒，且團聚現象明顯，不利于提高材料的功率密度。

針對上述問題，本專利提供了一種新型的Si/CNT/C復合材料，即在傳統Si/C材料中添加具有較小尺寸的碳納米管（CNT），來提高材料的整體性能。且該材料的制備方法是一種制備納米材料常用的方法：靜電紡絲法，通過該方法制備出的Si/CNT/C復合材料具有纖維狀結構，Si顆粒均勻地分布在C纖維上，CNT沿軸向將C纖維與Si粒子有效地連接，提高了材料的電子導電率和電化學性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高容量鋰電池負極材料及其制備方法，其制備出的Si/CNT/C復合材料具有纖維狀結構，Si顆粒均勻地分布在C纖維上，CNT沿軸向將C纖維與Si粒子有效地連接，提高了材料的電子導電率和電化學性能。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種高容量鋰電池負極材料，其特征在于：包含Si、CNT和無形碳；其中Si含量為15~35%，CNT含量為2~6%，C含量為59~80%。

一種高容量鋰電池負極材料的制備方法，其特征在于制備步驟如下：

a）將59~80%的有機高分子、2~6%的CNT和15~35%直徑為30~200nm的Si粉溶于適當的有機溶劑中，配置成質量分數為15~40%的前驅體溶液；

b）將前驅體溶液靜電紡絲裝置的針頭注射器中進行靜電紡絲，針頭孔徑0.5~0.8mm，紡絲電壓15~22kV，接收距離15~20cm，濕度25~40%，溫度20~35^oC；

c）步驟b）所得紡絲前驅體置于馬弗爐中，從室溫以3~8^?oC/min的升溫速率升溫至200~300^oC，然后再以1~3^oC/min的升溫速率升溫至360~400^oC，隨爐冷卻后得預氧化前驅體；

d）將預氧化前驅體置于具有惰性氣體保護的管式爐中，以5~10^oC/min的升溫速率升溫至550~700^oC，燒結3~7小時后隨爐冷卻，即可得Si/CNT/C復合材料。

步驟a）中所述有機高分子包括聚苯胺（PAN）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），所述有機溶劑包括無水乙醇、丙酮和二甲基甲酰胺（DMF）；步驟d）中所述惰性氣體包括氬氣、氮氣以及二者的混合氣。

本發明的積極效果是在傳統Si/C材料中添加具有較小尺寸的碳納米管，來提高材料的整體性能，且制備方法方法為靜電紡絲法，通過該方法制備出的Si/CNT/C復合材料具有纖維狀結構，Si顆粒均勻地分布在C纖維上，CNT沿軸向將C纖維與Si粒子有效地連接，提高了材料的電子導電率和電化學性能。

附圖說明

圖1是本發明實例1所制備的Si/CNT/C復合材料預氧化前驅體纖維的SEM圖譜。

圖2是本發明實例1制備的Si/CNT/C復合材料的模擬電池EIS圖譜。

具體實施方式