[發明專利]一種鋰或鈉離子電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810508943.3
• 申請日: 2018-05-24
• 公開（公告）號: CN108539185B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 田忠良;賴延清;趙澤軍;辛鑫;楊凱;宗傳鑫;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發明涉及一種鋰或鈉離子電池負極材料及其制備方法。所述鋰或鈉離子電池負極材料以無定形鏤空碳球為骨架，金屬單質均勻地嵌入在碳骨架中，形成粒度在100～500nm的納米金屬/碳復合顆粒；所述納米金屬/碳復合材料以質量百分比計包括無定形碳40％～70％，金屬A 30％～60％，金屬A粒徑大小在3～10nm之間。本發明不僅能解決普通碳材料比容量低的問題，同時也彌補了充放電過程中金屬材料體積變化劇烈的不足。本發明所設計和制備的產品在使用時顯示出了較好的循環穩定性和倍率性能。本發明產品結構設計合理、制備工藝簡單可控，所得產品性能優良，便于工業化生產和應用。所得產品具有優異的比容量和倍率性能以及優異的循環使用壽命。

技術領域

本發明涉及新能源材料制備領域，特別是涉及一種鋰或鈉離子電池負極材料及其制備方法。

技術背景

鋰離子電池由于具有較高的循環穩定性和使用壽命，已經廣泛應用在便攜式電子產品、新能源汽車和規模化的儲能電站系統。目前商業化的鋰離子電池使用的負極材料為石墨，石墨雖然具有穩定的循環性能，但是受限于其較低的放電比容量(372mAh g^-1)。隨著對新能源電池需求的不斷增長，開發出新電極材料來提高電池循環性能成為開發新型鋰離子電池的關鍵。

一些金屬與鋰具有較低的合金化電位，形成合金化合物(Li_4.4Sn、Li₃Bi、Li_xZn)，具有較高的理論儲鋰性能，有望成為下一代鋰(鈉)離子電池的負極材料。但是由于金屬電極材料在鋰離子嵌入/脫出的過程中，會發生較大的體積變化，導致電極材料粉化以及破壞SEI膜的穩定性，這樣會使電池的放電比容量迅速衰減。制備納米結構的負極材料(像核殼結構、多層結構、表面包覆等)有助于緩沖鋰離子在嵌入/脫出過程中發生的體積膨脹問題。但是目前所采用的方法存在制備工藝繁瑣，不利于工業化生產，而且得到的金屬粒子比較大，使電池的倍率性能不好，因此有必要提供一種操作簡單，適合大規模工業化生產的方法，來制備新型的鋰(鈉)離子電池的負極材料。

發明內容

針對目前制備金屬電極材料的不足，難以進行大規模的工業化生產，且金屬顆粒大。本發明提出一種鋰或鈉離子電池負極材料及其制備方法。鋰或鈉離子電池負極材料為納米復合材料；該納米復合材料以多孔的無定形碳球為骨架，金屬單質均勻地嵌入在碳層中，形成粒度在100～500nm的球狀顆粒。其中無定形碳球具有疏松多孔的結構，比表面積在300～1000m²/g之間，量子級金屬單質粒徑在3～10nm之間。無定形碳提高了電極的導電性和SEI膜的穩定性，同時無定形碳中的多孔結構一方面為離子提供了大量的傳輸通道，提高了電極的倍率性能，另一方面可以緩沖金屬合金化帶來的體積變化。該材料顯示出了較高的循環穩定性和倍率性能，在1C的倍率下循環500圈，平均比容量為550～650mAh/g，在高倍率下充放電，比容量為380～460mAh/g。

本發明一種鋰或鈉離子電池負極材料；其特征在于：所述鋰或鈉離子電池負極材料包括納米金屬/碳復合材料，所述納米金屬/碳復合材料以無定形鏤空碳球為骨架，金屬單質均勻地嵌入在碳骨架中，形成粒度在100～500nm的納米金屬/碳復合顆粒；

所述納米金屬/碳復合材料以質量百分比計包括：無定形碳40％～70％，

金屬A 30％～60％，金屬A粒徑大小在3～10nm之間。

本發明一種鋰或鈉離子電池負極材料；所述鋰或鈉離子電池負極材料中，無定形鏤空碳球的粒度在100～500nm之間且無定形鏤空碳球的比表面積為300～1000m²/g。碳球中的空隙在10～50nm之間。該空隙結構為雙性金屬氧化物溶解后留下來的。

本發明一種鋰或鈉離子電池負極材料；所述金屬A選自鈷、鎳、鐵、錫、銻、鉍、鉬、銅、銦、銀、鎵、鎘、鉛、鉈中至少一種。