[發(fā)明專利]增強(qiáng)型自支撐鋰離子電池負(fù)極材料及其制備工藝

有效

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• 申請日: 2019-05-08
• 公開（公告）號: CN111916750B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫賽;高煥新;劉志成
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/36;H01M10/0525
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本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)型自支撐鋰離子電池的負(fù)極材料、制備工藝及基于該負(fù)極材料的鋰離子電池。所述增強(qiáng)型自支撐鋰離子電池負(fù)極材料，包括具有取向排列的碳納米纖維和負(fù)載于納米纖維的活性組分，具有活性組分含量高(≥20％)、比容量高、輕質(zhì)化、機(jī)械性能好等特性。基于該負(fù)極材料的鋰電池負(fù)極極片無需添加導(dǎo)電劑、粘接劑和集流體，可顯著提高鋰電池的能量密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)型自支撐鋰離子電池負(fù)極材料及其制備工藝，屬于鋰離子電池電極材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰電池因其工作電壓范圍大、循環(huán)壽命次數(shù)高、充電速度快、放電功率高、沒有記憶效應(yīng)、質(zhì)量和體積能量密度高和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子類、電動汽車、電動自行車等領(lǐng)域顯示出強(qiáng)有力的競爭力，目前已成為應(yīng)用范圍最廣的二次電池之一。2017年，工業(yè)和信息化部等聯(lián)合印發(fā)《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》。該方案中明確指出，到 2020年新型鋰離子動力電池單體比能量超過300Wh/Kg。但是，目前商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料主要為碳材料，理論比容量僅為372mAh/g，根本無法實現(xiàn)未來對高能量密度鋰電池的需求。因此，開發(fā)新型負(fù)極材料已成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。

以硅為代表的非碳負(fù)極材料，憑借較高的理論比容量(Si:4200mA·h·g^-1)，而受到各國科研人員的關(guān)注，成為了新型負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)。靜電紡絲作為一種簡便、高效的納米纖維加工工藝，廣泛用于金屬、非金屬納米纖維的制備，所得材料具有比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)，作為“緩沖骨架”可有效緩解硅等非碳負(fù)極材料體積效應(yīng)帶來的性能衰減。2012年，授權(quán)號為CN101527357B的中國發(fā)明專利公開了一種納米硅無定型碳復(fù)合鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法，其通過靜電紡絲的方法制備了納米硅@碳核殼結(jié)構(gòu)。該方法顯著提高了材料硅的含量(10％～50％)，但采用單軸靜電紡絲工藝難以將無定型碳層完全包覆硅納米顆粒，材料的首次庫倫效率低，循環(huán)性能不理想。隨后，申請公布號為 CN106571451A的中國專利公布了一種采用同軸靜電紡絲工藝制備的硅碳負(fù)極材料。該材料的核殼結(jié)構(gòu)保持完整，庫倫效率得以明顯提高，循環(huán)壽命長。但同軸靜電工藝復(fù)雜，紡絲過程難以控制，工業(yè)化成本高，不利于大規(guī)模推廣。

通常情況下靜電紡絲得到的是無規(guī)則的無紡納米纖維氈(布)，其在后續(xù)的預(yù)氧化和碳化處理過程中容易產(chǎn)生缺陷、粘絲現(xiàn)象(Zussman E.,Chen X.,Ding W.,etal.Mechanical and structure characterization of electrospun PAN-derivedcarbon nanofibers[J].Carbon,2005, 43(10):2175-2185)，進(jìn)而導(dǎo)致所得自支撐負(fù)極材料的機(jī)械強(qiáng)度無法滿足電池組裝過程對集流體的需求(Zhang J.,Lu B.,Song Y.,etal.Diffusion induced stress in layered Li-ion battery electrode plates[J].Journal of Power Sources,2012,209:220-227)。因此，現(xiàn)有自支撐負(fù)極材料僅從概念上實現(xiàn)了對銅、鋁等金屬集流體的取代，實際應(yīng)用中尚無法真正取而代之。

綜上，開發(fā)活性組分含量高、電化學(xué)性能優(yōu)異、機(jī)械性能良好且制備過程簡單可控，易于規(guī)模化生產(chǎn)的自支撐負(fù)極材料屬于該領(lǐng)域的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的之一在于提供一種增強(qiáng)型自支撐鋰離子電池負(fù)極材料。

一種鋰離子電池負(fù)極材料，包括取向排列的碳納米纖維和活性組分。優(yōu)選所述活性組分負(fù)載于所述碳納米纖維的內(nèi)部或外部。

上述技術(shù)方案中，所述負(fù)極材料中取向排列的碳納米纖維與平面X軸的夾角為0°～180°，優(yōu)選地為0°～135°。

上述技術(shù)方案中，所述負(fù)極材料中取向排列的碳納米纖維的取向為單取向，優(yōu)選為雙取向或三取向。