[發明專利]一種高電容量鋰電碳負極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910351610.9
• 申請日: 2019-04-28
• 公開（公告）號: CN111864203B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 黃富強;韓振;畢輝;居亞蘭;馬文勤
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M10/0525;C01B32/318;C01B32/354
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種高電容量鋰電碳負極材料及其制備方法和應用，所述鋰電碳負極材料為導電纖維碳材料，所述制備方法包括：將有機纖維置于保護氣氛中，先在300～800℃下預燒結，再于500～1200℃下碳化處理后降至室溫，得到所述導電纖維碳材料；所述碳化處理的溫度＞預燒結的溫度；所述有機纖維為聚丙烯腈基纖維、粘膠纖維、瀝青纖維中的至少一種，優選為氨綸、滌綸、維綸、芳綸、聚苯并咪唑PBI纖維、聚酰亞胺PI纖維中的至少一種。

技術領域

本發明涉及一種鋰電池負極電極材料及其制備方法和應用，具體涉及一種鋰電碳負極材料及其制備方法和應用，屬于鋰離子電池電極材料技術領域。

背景技術

20世紀90年代初，索尼公司推出第一代商業化鋰離子電池(C/LiCoO₂)至今，18650型鋰離子電池的容量由1200增至2200～2600mAh，正極材料的組成和容量未發生太大變化，電池容量的增長主要來自負極材料的貢獻。

現階段，商業化鋰離子電池負極材料以碳素材料為主，其比容量高(200～400mAh·g^-1)，電極電位低(＜1.0V vs Li⁺/Li)，循環性能好(1000周以上)，循環性能穩定。根據結晶程度的不同，碳素材料可以分為石墨材料與無定形碳材料兩大類。其中，石墨材料因其導電性好，結晶度高，層狀結構穩定，適合鋰的嵌入-脫嵌等特點，成為理想的鋰電負極材料，人造石墨和天然石墨是兩種主要的石墨材料。而無定形碳材料即無固定結晶形狀的碳材料，主要包括軟碳和硬碳。硅基材料、過渡金屬氧化物和硫化物以及一些合金材料等非炭類的負極材料，由于具有較高的理論容量，也受到許多研究者的關注。但這些非炭類材料在實際的應用中普遍存在著兩大問題：一、循環穩定性差：鋰離子嵌入這類材料時，形成合金化過程中會產生巨大的體積膨脹(～400％)，鋰離子反復插入/脫嵌易使材料的晶體結構粉化團聚，最終引發電化學性能的衰減；二、電池高倍率性能偏差：一般金屬氧化物本身是電的不良導體，制備電極的過程中需要加入大量的導劑，當充放電電流密度增大，不能形成離子和電子的快速傳輸通道，電化學性能也會快速衰減。所以，在非炭類負極材料的開發研究主要圍繞在如何改善它們的電導性，抑制鋰離子合金化過程中產生的體積變化，以及防止材料結構粉化坍塌和團聚等方面。

有關鋰離子電池負極材料的商業化開發研究重點在于如何提高首次充放電庫倫效率、增加質量與體積比容量、延長循環壽命和降低成本等方面。目前，商業化鋰離子電池采用的負極材料幾乎都是炭材料，包括人造/天然石墨、石油焦、中間相碳微球(MCMB)等。炭材料作為負極材料具有較低的電極電位、嵌入/脫出鋰的能力好，循環穩定性佳等優點。但是，它的最大的缺陷是容量偏低，理論比容量僅有372m Ah g-1，實際使用時容量僅在200mAh g-1左右，顯然已經不能滿足現代鋰離子電池高容量高倍率性能要求。

因此，現有技術對于炭基材料的研究主要集中在提高它的儲鋰容量和大倍率性能。而且，在眾多特殊形貌中，纖維狀碳結構能有效增大材料的比表面積從而充分利用活性物質，同時可以縮短鋰離子在材料內部的遷移路徑提高材料的倍率性能，因此近幾年是材料領域中的一大研究熱點。但是現有采用有機纖維燒結得到的碳材料存在首效低，穩定性差等問題，其比容量也低于理論值。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種高容量的鋰電碳負極材料及其制備方法和應用，以提高鋰電池的比容量、循環穩定性等電化學性能。

一方面，本發明提供了一種鋰電碳負極材料的制備方法，所述鋰電碳負極材料為導電纖維碳材料，所述制備方法包括：將有機纖維置于保護氣氛中，先在300～600℃下預燒結，再于500～1200℃下碳化處理后降至室溫，得到所述導電纖維碳材料；所述碳化處理的溫度＞預燒結的溫度；所述有機纖維為聚丙烯腈基纖維、粘膠纖維、瀝青纖維中的至少一種，優選為氨綸、滌綸、維綸、芳綸、聚苯并咪唑PBI纖維、聚酰亞胺PI纖維中的至少一種。