[發明專利]一種通過磁致效應提高鋰電池負極電極倍率性能的方法

在審

• 申請號: 201810224877.7
• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN108417839A
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種通過磁致效應提高鋰電池負極電極倍率性能的方法，采用一維納米負極材料負載鐵磁流體與鐵氧體材料，在磁場下形成定向結構，與銅集流體垂直結合，形成三維密集陣列結構的負極電極，本發明克服了傳統鋰電池負極材料在鋰離子脫嵌過程中由于負極的各向異性生長引起的內阻過大，鋰離子嵌入困難的問題，通過鐵氧體材料和鐵磁流體與負極通過范德華力結合，在磁場作用下使負極材料具有取向性的垂直結合在銅集流體表面，形成三維密集陣列，使材料的活性點位暴露更加充分，形成鋰離子傳輸通道，有效提高鋰離子在負極材料中的脫嵌和遷移能力，提高了電池的倍率性能，達到了通過控制負極結構而非成分達到提高負極材料電性能的目的。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體涉及一種通過磁致效應提高鋰電池負極電極倍率性能的方法。

背景技術

伴隨著經濟全球化的進程和能源需求的不斷高漲，尋找新的儲能裝置已經成為新能源相關領域的關注熱點。與鎳鎘、鎳氫電池相比，鋰離子電池具有電壓高、比能量大、循環壽命長、安全性能好、自放電小、無記憶效應、可快速充放電、工作溫度范圍寬等諸多優點，被廣泛用于各個領域中。

鋰離子電池的關鍵材料之一是負極材料，負極材料的組成和結構對鋰離子電池的電化學性能具有決定性的影響。最初的鋰電池采用的是金屬鋰為負極材料，但金屬鋰在充放電時容易產生鋰枝晶而導致起火或爆炸等安全性問題。而導致起火或爆炸等安全性問題。接著開發了鋰合金材料解決了上述的安全性問題，但合金材料在嵌鋰和脫鋰時容易發生體積膨脹，導致循環性能下降。后來經過進一步的研究和比較，選擇了石墨化的碳作為鋰離子電池的商業化負極材料。石墨具有層狀結構，材料容易擇優取向，涂膜時石墨片通常平行于集流體方向堆積，而鋰離子是垂直于集流體方向嵌入石墨負極的。所以，這種擇優取向性在一定程度上會影響鋰離子的擴散與傳導。石墨與有機溶劑的相容性較差，易發生溶劑共嵌入，使石墨負極結構坍塌，失去嵌鋰活性。與碳類負極材料相比，硅基材料因其高容量（室溫理論容量 3580 mA·h/g）、低脫鋰電位、低成本等優勢被認為是下一代鋰離子電池極具潛力的負極材料。然而硅在充放電的過程中，體積會發生劇烈的變化，材料的結構會被破壞，導致鏗離子電池的容量衰減，電極循環不穩定，甚至造成電池失效。

因而鋰離子電池的負極材料開發仍然是目前的科研熱點。特殊構造的硅碳復合材料具有優異的力學性能和電化學性能，引起了研究者廣泛關注。納米結構材料作為鋰離子電池負極材料時, 由于管徑(或晶粒)為納米級尺寸，管與管(或晶粒與晶粒)之間相互交錯的縫隙也是納米數量級，使其具有優越的嵌鋰特性，鋰離子不僅可嵌入到管內各管徑間、管芯，而且可嵌入到管間的縫隙之中，為鋰離子提供了大量的嵌入空間位置，從而有利于提高鋰離子電池的充放電容量、循環壽命及電流密度。

中國發明專利申請號201210473878.8公開了一種制備碳纖維-硅納米線負極材料的方法，先在硅片表面真空蒸鍍金一層5-10納米厚的金膜；在管式爐內通入氬/氫氣混合氣后置入鍍金膜后的硅片上制備得到一層硅納米線，接著利用球磨法制備碳纖維-硅納米線復合材料，將步驟一得到的硅納米線與碳納米纖維按1∶1的摩爾比配制，再與聚氨酯球一起置于三維混合罐中混合，得到碳纖維-硅納米線復合材料。中國發明專利申請號CN201611222583.8公開了一種碳納米管/石墨烯/硅復合鋰電池負極材料及其制備方法，采用石墨烯層交替硅/碳納米管復合層的多層結構，利用石墨烯和碳納米管的高機械性能與高導電性共同對硅粉進行三維復合，提高負極倍率以及循環性能。

盡管上述方法均不同程度地提高了負極材料的電化學性能，但然而納米纖維具有較大的長徑比，如果其沒有進行有效的短切，將導致納米纖維在活性物質中的分散性不好，從而影響其對電極材料電化學性能的改善。此外，制備過程比較復雜，制備所得材料性能優點均不明顯。傳統的改性工藝大多為摻雜碳納米管、石墨烯等高導電納米材料進而提高電化學性能，但少有針對負極結構進行改進的研究。因此，通過設計一種新型可控負極結構，對負極內部的鋰離子嵌入和遷移能力的提高具有十分重要的實際意義。

發明內容