[發(fā)明專利]一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810021428.2
• 申請(qǐng)日: 2018-01-10
• 公開（公告）號(hào): CN108565408A
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 向勇;稅烺;張曉琨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。本發(fā)明的負(fù)極材料采用了碳?硅?碳三層三維球狀的結(jié)構(gòu)，最里面一層為石墨碳，用于提供硅在嵌入/脫嵌鋰離子過(guò)程中的體積膨脹空間；中間一層為非晶態(tài)硅，作為負(fù)極用于接受從正極遷移過(guò)來(lái)的鋰離子，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能；最外一層為熱解碳或PECVD沉積碳，用于提供穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，以保證硅在膨脹和縮小的過(guò)程中負(fù)極整體的穩(wěn)定性，從微觀上防止粉化和脫落等現(xiàn)象的發(fā)生。本發(fā)明的負(fù)極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既保證了硅作為負(fù)極比容量大的優(yōu)點(diǎn)，又運(yùn)用石墨柔軟易變形的特點(diǎn)為硅的體積膨脹提供了空間，還運(yùn)用具有一定強(qiáng)度的碳作為骨架進(jìn)一步保證了負(fù)極材料整體的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

自上世紀(jì)90年代可安全利用的石墨負(fù)極的發(fā)明以來(lái)，其較低的脫嵌鋰電位、合適的可逆容量、較高的首次效率和循環(huán)穩(wěn)定性且具有資源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了鋰離子電池在個(gè)人電子設(shè)備等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著高比能量3C產(chǎn)品和電動(dòng)車日益發(fā)展，石墨類碳材料負(fù)極理論比容量低的缺點(diǎn)(372mAh/g)逐漸凸顯，嚴(yán)重限制了鋰離子電池大規(guī)模儲(chǔ)能的發(fā)展。與此同時(shí)，硅因具有較高理論比容量(4200mAh/g)，儲(chǔ)量豐富和價(jià)格低廉，成為受到廣泛觀注的負(fù)極材料之一。然而，硅負(fù)極材料的缺點(diǎn)較為明顯，在鋰離子脫嵌過(guò)程中其存在巨大的體積膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致硅基材料的粉化和脫落，使得比容量和庫(kù)倫效率不斷衰減，循環(huán)壽命較差。因此，對(duì)硅基材料改性處理，降低其嵌入/脫嵌過(guò)程中的體積膨脹效應(yīng)成為了解決硅基負(fù)極材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述存在問(wèn)題或不足，為解決現(xiàn)有鋰離子電池中石墨類碳負(fù)極材料存在的理論比容量低和硅負(fù)極材料體積膨脹的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法，該負(fù)極材料采用了碳-硅-碳三層三維球狀的結(jié)構(gòu)。

該鋰離子電池負(fù)極材料的微觀結(jié)構(gòu)為碳-硅-碳三層包覆結(jié)構(gòu)，最里面一層為石墨碳，較為柔軟易變形，用于提供硅在嵌入/脫嵌鋰離子過(guò)程中的體積膨脹空間；中間一層為非晶態(tài)硅，作為負(fù)極用于接受從正極遷移過(guò)來(lái)的鋰離子，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能；最外一層為具有較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的熱解碳或PECVD沉積碳，用于提供穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，以保證硅在膨脹和縮小的過(guò)程中負(fù)極整體的穩(wěn)定性，從微觀上防止粉化和脫落等現(xiàn)象的發(fā)生。

其制備方法1如下：

步驟1、將作為碳源的石墨與作為硅源的非晶態(tài)硅按照1:1-1:5的比例配好后，制成納米級(jí)的混合微粒。

隨后將混合微粒加入分散劑溶于有機(jī)溶劑并均勻混合。然后將其干燥，再將干燥后的混合物燒結(jié)，得到非晶態(tài)硅包覆的石墨微粒。

步驟2、將步驟1所得石墨微粒通過(guò)攪拌均勻混入瀝青溶液中，然后在真空環(huán)境下加熱至70-100℃使其完全干燥，從而得到固態(tài)相的碳-硅-碳包覆的前驅(qū)體。

步驟3、將步驟2所得前驅(qū)體在200-300℃下加保溫，然后在氬氣保護(hù)下加熱至熱解。熱解后的產(chǎn)物粉碎為幾微米至幾十微米粒徑的顆粒，即得到目標(biāo)產(chǎn)物非晶態(tài)碳-非晶態(tài)硅-石墨碳三層三維球形結(jié)構(gòu)負(fù)極材料。

其制備方法2如下：

步驟1、將作為內(nèi)層碳源的石墨制成納米級(jí)的均勻微顆粒。

步驟2、運(yùn)用PECVD方法以硅烷為硅源在步驟1所得微顆粒外層沉積非晶態(tài)硅層。

步驟3、運(yùn)用PECVD方法以甲烷和氫氣為碳源再在步驟2所得微顆粒的非晶態(tài)硅層外沉積最外層碳，最終制得幾微米至幾十微米粒徑的非晶態(tài)碳-非晶態(tài)硅-石墨碳三層三維球形結(jié)構(gòu)負(fù)極材料。

本發(fā)明特殊的負(fù)極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既保證了硅作為負(fù)極比容量大的優(yōu)點(diǎn)，又運(yùn)用石墨柔軟易變形的特點(diǎn)為硅的體積膨脹提供了空間，還運(yùn)用具有一定強(qiáng)度的碳作為骨架進(jìn)一步保證了負(fù)極材料整體的穩(wěn)定性。