[發(fā)明專利]一種硅?液態(tài)金屬?gòu)?fù)合鋰電池負(fù)極材料及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710164808.7
• 申請(qǐng)日: 2017-03-20
• 公開（公告）號(hào): CN106953075B
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂向東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)建新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院（深圳）有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京中知法苑知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11226
• 代理人: 常玉明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域，具體涉及一種硅-液態(tài)金屬?gòu)?fù)合鋰電池負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對(duì)于能源的需求日益增大。目前世界所利用能源的85％來(lái)自于化石原料(煤、石油、天然氣等)，這些原料是不可再生的，其造成的環(huán)境污染也在不斷加劇。因此，綠色能源及其材料的研制開發(fā)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)二十一世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，緩解能源危機(jī)和減輕環(huán)境污染壓力都具有非常重要的意義。隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以鉛、鎘等有毒金屬作為電池材料的使用逐漸受到限制，這促使人們開始尋找新的電池材料。鋰離子電池作為一種可循環(huán)使用的高效綠色新能源，是綜合緩解能源、資源和環(huán)境問(wèn)題的一種重要技術(shù)途徑。特別是近年來(lái)基于鋰離子電池而迅速發(fā)展起來(lái)的便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)車輛、航空航天與國(guó)防裝備的電源系統(tǒng)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)不顯示出鋰離子電池對(duì)當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐作用。鋰電池作為一種高能環(huán)保電池，其具有工作電壓高、比能量大、可快速充放電及循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦以及數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品。除此之外，鋰電池開始逐漸應(yīng)用于電動(dòng)汽車和航天領(lǐng)域等新興市場(chǎng)。

鋰電池，是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高，所以，鋰電池長(zhǎng)期沒有得到應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。鋰電池大致可以分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料，使用非水電電解質(zhì)的電池，充電時(shí)正極上發(fā)生的反應(yīng)為：LiCoO₂==Li_(1-x)CoO₂+X Li⁺+Xe^-(電子)，充電時(shí)負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：6C+XLi⁺+Xe^- = LixC₆ ，充電電池的總反應(yīng)為：LiCoO₂+6C = Li_(1-x)CoO₂+LixC₆。

鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。一般來(lái)說(shuō)，選擇一種好的負(fù)極材料應(yīng)遵循以下原則：比能量高；相對(duì)鋰電極的電極電位低；充放電反應(yīng)可逆性好；與電解液和粘結(jié)劑的兼容性好；比表面積小，真密度高；嵌鋰過(guò)程中尺寸和機(jī)械穩(wěn)定性好；資源豐富，價(jià)格低廉；在空氣中穩(wěn)定、無(wú)毒副作用。目前，已實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料一般都是碳素材料，如石墨、軟碳、硬碳等。但負(fù)極材料存在充放電過(guò)程中首次循環(huán)庫(kù)倫效率低和體積變化大的現(xiàn)象，且循環(huán)使用性能較差，因此提高負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性成為研究負(fù)極材料的主要目標(biāo)。自從上世紀(jì)九十年代日本索尼公司首先用石墨作為負(fù)極研制出二次鋰離子電池并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，鋰離子電池得到了迅速的發(fā)展。該電池體系用石墨代替金屬鋰負(fù)極，電池的安全性能大為改善，并且具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，同時(shí)電池的充放電效率也得到提高，因此鋰離子電池的研究開發(fā)很大程度上就是負(fù)極嵌鋰化合物的研究開發(fā)，負(fù)極材料的發(fā)展在鋰離子電池的發(fā)展中起了決定性作用。隨著手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等諸多便攜式小型電器的日益多功能化，電池的規(guī)格型號(hào)及內(nèi)在性能也向著多樣化方向發(fā)展，對(duì)電池的一致性和安全、大電流、長(zhǎng)壽命等性能提出了更高的要求。負(fù)極材料作為鋰離子電池的重要組成部分。鋰離子電池負(fù)極材料大體包括：碳負(fù)極材料、錫基負(fù)極材料、含鋰過(guò)渡金屬氮化物過(guò)渡金屬氧化物和磷化物負(fù)極材料、過(guò)渡金屬硫化物負(fù)極材料，合金類負(fù)極材料。目前商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料主要以石墨類碳材料為主，由于其比容量低和安全性差的問(wèn)題制約了動(dòng)力鋰離子電池的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用。因此開發(fā)高比容量、安全性好的負(fù)極材料是當(dāng)今研究工作的重點(diǎn)。目前，鋰離子電池主要以硅基材料及其復(fù)合物作為電極材料，但是其在充放電過(guò)程中電極體積發(fā)生膨脹，電池性能不穩(wěn)定的不足，電池的循環(huán)性較差。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)目前鋰離子電池中存在的電池在充放電過(guò)程中電極體積發(fā)生膨脹，電池性能不穩(wěn)定的不足，本發(fā)明提供了一種硅基材料-液態(tài)金屬三元鋰電池負(fù)極材料，通過(guò)液態(tài)金屬的高溫體積微變化緩沖硅基材料材料體積形變帶來(lái)的應(yīng)力變化，有效地抑制硅基材料的體積膨脹，同時(shí)液態(tài)金屬能有效穩(wěn)定電極材料與電解液的界面,使SEI膜穩(wěn)定生長(zhǎng)，提高電池的能量密度和對(duì)電解液的穩(wěn)定性。