[發(fā)明專利]一種碳基復合負極材料及其制備方法和鋰離子電池

有效

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• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN111785937B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設計）人: 王為;徐曉東;夏路;任建國
• 申請（專利權(quán)）人: 貝特瑞新材料集團股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發(fā)明公開了一種碳基復合負極材料及其制備方法和鋰離子電池。所述碳基復合負極材料包括復合材料核心和包覆在復合材料核心表面的碳包覆層；所述復合材料核心包括第一組分和第二組分，所述第一組分嵌入在第二組分中；所述第一組分由納米活性物質(zhì)、第一碳粘結(jié)劑和天然石墨組成；所述第二組分由人造石墨和第二碳粘結(jié)劑組成。所述制備方法包括：1)制備第一組分；2)制備第一組分嵌入在第二組分中的復合物前驅(qū)體；3)進行碳包覆和燒結(jié)，得到所述碳基復合負極材料。本發(fā)明提供的負極材料因為第一組分和第二組分形成的復合結(jié)構(gòu)，以及天然石墨與人造石墨間的協(xié)同作用，電化學性能優(yōu)良。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于儲能材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種負極材料，尤其涉及一種碳基復合負極材料及其制備方法和鋰離子電池。

背景技術(shù)

由于鋰離子電池具有工作電壓高、循環(huán)使用壽命長、自放電小、無記憶效應、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，其被廣泛應用在便攜式3C電子產(chǎn)品、動力裝置和儲能設備等領(lǐng)域中。但隨著科技的發(fā)展以及鋰離子電池應用范圍的擴大，對鋰離子電池負極材料的性能要求也隨之越來越高。目前，得以商業(yè)化應用的鋰離子電池主要使用石墨類負極材料，但其理論比容量僅為372mAh/g，存在克比容量較低以及倍率性能上的缺點。在未來鋰離子電池對高能量密度的和功率特性等性能要求面前，單純性的石墨類負極材料的局限性已愈發(fā)明顯。為此，人們不斷致力于新型高比容量的鋰離子電池負極電極材料的研發(fā)工作。

研究發(fā)現(xiàn)，一些鋰離子電池可用的活性物質(zhì)，例如Si，Sn，Mg等活性金屬及其金屬氧化物或金屬合金化合物有著較高的比容量，然而，這些材料在脫嵌鋰過程中一般都具有體積變化大、循環(huán)壽命較差的缺點。雖然活性物質(zhì)的納米化處理可以在一定程度上緩解膨脹提高循環(huán)壽命，但仍需進一步的優(yōu)化。

目前，為克服上述活性物質(zhì)的缺點，常使用的方法是將活性物質(zhì)進行納米化、并與碳材料進行復合。

CN103708437A公開了一種鋰離子電池軟碳負極材料、其制備方法，包括以下步驟：以軟碳為原料、依次經(jīng)預燒、納米活性物質(zhì)的噴涂及碳包覆過程而制得。雖然該方法提高了材料的容量和首次庫倫效率，由于納米活性活性物質(zhì)體積膨脹較大，無法進一步提升材料容量和效率。

CN104091952B公開了一種新型鋰離子電池負極材料及其制備方法，通過在納米SiO₂表面包覆一層碳，并與石墨烯進行復合后制備了納米結(jié)構(gòu)的碳包覆SiO_2/石墨烯復合物電極材料，避免了SiO₂的導電性的缺點。但是該發(fā)明得到的復合負極材料的首次效率低下，且倍率性能欠佳。

CN108110228A公開了一種鋰離子電池硅基負極材料及其制備方法。其包括無定型二氧化硅基體、多個納米硅核、碳包覆層和LiF包覆層；多個納米硅核嵌入到無定型二氧化硅基體內(nèi)，碳包覆層包覆在無定型二氧化硅基體外，LiF包覆層包覆在碳包覆層外。本發(fā)明還提出了一種所述鋰離子電池硅基負極材料的制備方法，包括：將納米硅粉加入堿溶液中，加入碳源，蒸干溶液后干燥處理得到中間物料；將中間物料在惰性氣體的保護下燒結(jié)，然后均勻分散在醋酸鋰溶液中，加入氟化銨溶液，水熱反應后洗滌、過濾、干燥。該方法得到的負極材料電化學性能有待進一步提高。

可見，上述方法雖然采用碳材料對活性物質(zhì)進行包覆處理，但可對某些性能起到較大程度的改善作用。但往往存在單純的包覆層有著包覆不完全，或者是包覆層結(jié)合強度低的問題。同時，充放電過程中活性物質(zhì)的體積變化所產(chǎn)生的應力變化對負極材料結(jié)構(gòu)的碳包覆層產(chǎn)生沖擊和破壞，當碳包覆層脫落后，電解液將進入負極材料的內(nèi)部，加速與電解液的反應。在一定程度上依然存在電池的首次效率、極片膨脹大、結(jié)構(gòu)易坍塌，進而導致循環(huán)性能、倍率性能以及安全性變差等缺點。

因此，研發(fā)一種容量高、首次充放電效率高、倍率性能佳，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定好、長循環(huán)的復合負極材料是鋰離子電池領(lǐng)域的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容