[發明專利]一種鋰離子電池負極材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201611123203.5
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN108183198B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 孫公權;戚甫來;王素力
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明提供一種鋰離子電池負極材料及其制備和應用，所述材料為碳納米層包覆硅的材料，所述材料具有碳納米層三維交聯的氣凝膠結構，包覆的硅納米粒子分布于碳納米層中；所述碳納米層中含有N元素，同時還含有異質元素P、S、B中的一種或兩種以上。其制備方法包括表面修飾的納米硅與氨基化合物分散液的制備、碳硅復合材料的制備以及碳納米層包覆硅材料的制備。包覆結構極大的降低了硅的體積膨脹；高孔隙率的凝膠結構有效的緩解了硅膨脹對電極結構影響；并且三維交聯的碳納米層提供了較好的導電網絡。本發明包覆方法簡便，原料來源廣泛，價格低廉，工藝條件易控制，操作成本低，極具工業化前景。相比現行的包覆方法，具有包覆層均勻，包覆速率快等優點。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料及其制備技術領域，具體涉及一種碳納米層包覆硅負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池，作為一種應用十分廣泛的能量存儲器件，具有能量密度高、自放電小、工作電壓范圍寬、無記憶效應、使用壽命長、無環境污染等優點，鋰離子電池性能的最終決定性因素是電極材料，其中負極材料對鋰離子電池性能的提高起著至關重要的作用。目前負極材料的應用主要以傳統石墨材料為主，但石墨比容量已接近372mAh/g的理論值，難有提升的空間，已無法滿足高比能量動力鋰電池的需求，所以開發其它新型負極材料從而提升鋰電池性能已成為負極材料研究領域熱點。

硅的理論比容量為4200mAh/g，遠高于石墨材料的比容量，且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時不會引起表面析鋰，安全性能更好，另外硅的來源廣泛，存儲豐富，所以硅被認為最有可能替代石墨的新型負極材料之一。但以硅作為鋰離子電池負極材料在嵌鋰的過程中體積膨脹達300％.充放電過程中鋰離子反復的嵌入脫出，材料逐漸粉化，造成結構坍塌，最終導致電極活性物質與集流體脫離，喪失電接觸，導致電池循環性能大大降低；此外，由于這種體積效應，硅在電解液中難以形成穩定的固體電解質界面(SEI)膜；伴隨著電極結構的破壞，在暴露出的硅表面不斷形成新的SEI膜，加劇了硅的腐蝕和容量衰減。

目前對于高容量硅負極材料的改性主要采用表面改性、摻雜、復合等方法形成包覆或高度分散的體系，通過提高材料的力學性能，以緩解脫嵌鋰過程中體積膨脹產生的內應力對材料結構的破壞，從而提高其電化學循環穩定性。這些材料雖能在循環性上得到一定的改善，但效果依然不夠理想，無法滿足高性能動力鋰離子電池的性能要求。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，發明了一種碳納米層包覆硅材料，有效的解決了硅作為鋰離子電池負極材料時體積膨脹的問題，能顯著減小碳硅負極材料的比容量衰減速度，本發明還提出了一種制備碳納米層包覆硅材料的制備方法。本發明采用以下具體方案實現的：

一種鋰離子電池負極材料，所述材料為碳納米層包覆硅的材料，所述材料具有碳納米層相互交聯成三維骨架結構，硅納米粒子分布于碳納米層中。

所述碳納米層為多孔的碳納米片層，所述碳納米層的片層厚度為10-300nm，多孔的碳納米片層的長度和寬度分別為20nm-5μm，孔隙率為0.5-2cm³/g，孔徑尺寸在0.5nm-20nm范圍內；硅納米粒子的粒徑為10-100nm。

所述碳納米層中含有N元素，同時還含有異質元素P、S、B中的一種或兩種以上；所述碳納米層中N元素的質量含量為1％-10％，所述異質元素P、S、B中的一種或兩種以上的總的質量含量為1％-10％。

所述鋰離子電池負極材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟，

(1)表面修飾的納米硅與氨基化合物分散液的制備：于無水乙醇中分散經表面處理的納米硅粉末，水浴加熱的同時于分散液中加入偶聯劑，恒溫攪拌8-16h后冷卻過濾干燥得表面修飾的納米硅；將所得納米硅與氨基化合物分散在溶劑中。