[發明專利]一種電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810583702.5
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN108832087B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 韓飛;沈薇;張成智;劉金水;李軒科;張福全
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/054;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/32
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 李桂存

本發明提供一種石墨層間化合物基電池負極材料，包括功能化石墨及金屬鹵化物基石墨層間化合物，通過對石墨主體進行功能化改性處理，引入功能基團，以提高石墨片層與金屬鹵化物插入客體之間的化合鍵合力，獲取高可逆容量的同時保持較好的循環穩定性。本發明同時還提供該負極材料的制備方法，該制備方法能夠克服現有技術中的不足之處，提供一種高容量且循環性能好的負極材料，同時該生產過程安全、環保、適合大規模生產。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，尤其涉及一種石墨層間化合物基電池負極材料及其制備方法。

背景技術

負極材料是制造電池的關鍵材料之一，是決定電池性能和價格的重要因素。對于鋰離子電池而言，目前商業化的負極材料主要是石墨，其實際容量已接近理論值(372mAh/g)，且隨著循環次數的增加容量顯著下降，無法滿足電池日益增長的容量和性能要求。天然石墨結晶程度高，具有很高的容量( 接近石墨理論容量372mAh/g)，但其結構不穩定，循環性能差，即使通過各種手段對其表面進行改性，仍無法滿足要求。人造石墨結構穩定，具有優秀的循環壽命，但容量較天然石墨偏低。盡管通過選擇合理的原料和石墨化工藝，可以具備接近天然石墨的容量，但仍然無法完全滿足高端消費電子產品的應用要求。

由于石墨片層之間的結合力弱，間距較大，在插層劑的作用下，化學反應物質插入石墨片層間，并在層間與碳原子鍵合，形成的一種并不破壞石墨層狀結構的石墨層間化合物。定向選擇可與Li⁺、Na⁺、K⁺等離子發生可逆反應的金屬鹵化物作為插層劑，制備金屬鹵化物基石墨層間化合物，如氯化鐵-石墨層間化合物。以鋰離子電池為例，由于金屬氯化物與鋰離子反應所具有的容量遠高于純石墨負極的容量，因而該石墨層間化合物作為電極材料使用，其石墨主體和金屬氯化物客體均能作為鋰離子存儲的活性位點，從而，獲取遠高于純石墨作為電極材料時的可逆容量。另外，由于插入的金屬鹵化物與石墨片層的相互作用，可改變石墨片層的電子結構，作為電極材料時能夠表現出高的可逆容量。由于石墨片層的束縛作用，插入的鹵化物客體在空氣中較為穩定，材料存儲時不需要采取特殊的保護措施以避免其分解。然而，在作為電極材料使用時，由于離子反復地嵌入脫出，會造成石墨片層束縛力的削弱，導致鹵化物溶解于電解液中，造成活性物質的損失，最終導致電極材料循環性能不穩定。為了提高金屬鹵化物基石墨層間化合物作為電極材料的結構穩定性，避免金屬鹵化物的溶解問題，需對石墨主體進行改性處理以提高其對金屬鹵化物插入客體的化學鍵合能力。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供一種石墨層間化合物基電池負極材料及其制備方法。為了在獲取高可逆容量的同時保持較好的循環穩定性，通過對石墨主體進行功能化改性處理，引入功能基團，以提高石墨片層與金屬鹵化物插入客體之間的化合鍵合力。該制備方法能夠克服現有技術中的不足之處，提供一種高容量且循環性能好的負極材料，同時該生產過程安全、環保、適合大規模生產。

一種電池負極材料，包括功能化石墨及石墨層間化合物。

所述的功能化石墨是通過化學法或物理法在石墨片層間引入氧、氮、硫、磷雜原子中的一種或幾種獲得的。

所述的石墨層間化合物是通過熔鹽法將金屬鹵化物作為插層劑插入到功能化石墨層間，形成石墨層間化合物。

所述的功能化石墨，優選氧雜原子中的環氧官能團；所述功能化石墨中雜原子與碳原子的原子比為0-20%。

所述的石墨包括天然石墨、人造石墨或膨脹石墨。

所述的金屬鹵化物插層劑都是無水化合物，形成受電子型的石墨層間化合物，包括鈹、鎂、鈧、釔、鋯、鉿、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、錸、鐵、釕、鋨、鈷、銠、銥、鎳、鈀、鉑、銅、銀、金、鋅、鎘、汞、鋁、鎵、銦、鉈、鍺、錫、鉛、銻、鉍、鈾的金屬氯化物以及溴化鐵、溴化鎳、溴化鋁、溴化鎵、溴化錳、溴化鈷、溴化鎘、溴化金、溴化汞、溴化鉈和溴化鈾中的一種或幾種。