[發明專利]一種高能量密度鋰離子電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201911342823.1
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111146418A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 陳成猛;蘇方遠;孔慶強;孫國華;王振兵;戴麗琴;耿文俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 趙禛

本發明涉及一種高能量密度鋰離子電池負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池負極材料制備領域。所述鋰離子電池負極材料的原料組成及其質量比為：氧化亞硅（SiO）：無定形碳：石墨化無煙煤=(5~40):(1~20):100；在鋰離子電池負極材料中，納米SiO顆粒被無定形碳包覆在球形石墨化無煙煤顆粒的表面，同時多個球形石墨化無煙煤顆粒與SiO的復合物組成二次顆粒團聚體。制得的高能量密度鋰離子電池負極材料在0.1C放電條件下比容量大于1000mAh/g，首次效率大于80%，經過1000次循環后容量保持率大于80%，該方法簡單易行，并且容易進行工業放大，制備所用原料資源豐富，同時具有成本優勢。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料技術領域，具體涉及的是一種高能量密度鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著電動汽車產業的發展，高能量密度的鋰離子電池收到越來越廣泛的關注。各國政府紛紛制定了高能量密度鋰離子電池的發展路線。開發具有高能量密度的電極材料至關重要。

鋰離子電池負極材料主要為人造石墨、天然石墨和中間相炭微球等，這些負極材料的理論容量為372mAh/g，若要開發高能量密度鋰離子電池還需要進一步提升其容量性能。目前改善鋰離子電池能量密度的關鍵技術之一是將硅基材料引入到石墨負極之中。硅具有極高的理論嵌鋰容量，豐富的資源和較好的倍率特性。在電池充電過程中，硅嵌鋰形成鋰硅合金，體積逐漸膨脹，當嵌鋰容量為4200mAh/g時理論體積變化為320%。如此大的體積變化導致顆粒容易粉化，極片容易從集流體脫落。暴露在電解液中的硅負極表面還不容易形成穩定的表面鈍化膜（SEI），導致電池首周及每周庫侖效率較低，全電池循環性能較差。

為了解決這些難題，在過去20年提出了多種解決技術手段，目前復合材料的可逆容量在450mAh/g以下的碳包覆氧化亞硅、碳包覆納米硅碳復合材料已經開始用于某些場合的鋰離子電池，雖然循環壽命還無法跟石墨類負極相比。但若開發更高能量密度的鋰離子電池，還需要更高容量的鋰離子電池負極材料。

發明內容

為了克服現有技術的不足，解決鋰離子電池負極材料能量密度低的技術問題，本發明提供了一種高能量密度鋰離子電池負極材料及其制備方法，該方法簡單易行，并且容易進行工業放大，制備所用原料資源豐富，同時具有成本優勢。

本發明通過以下技術方案予以實現。

一種高能量密度鋰離子電池負極材料，所述鋰離子電池負極材料的原料組成及其質量比為：氧化亞硅（SiO）：無定形碳：石墨化無煙煤=(5~40): (1~20):100；在鋰離子電池負極材料中，納米SiO顆粒被無定形碳包覆在球形石墨化無煙煤顆粒的表面，同時多個球形石墨化無煙煤顆粒與SiO的復合物組成二次顆粒團聚體。

進一步地，所述高能量密度鋰離子電池負極材料在0.1C放電條件下比容量大于1000mAh/g，首次效率大于80%，經過1000次循環后容量保持率大于80%。

進一步地，所述石墨化無煙煤顆粒由無煙煤通過石墨化、粉碎、分級、造粒制得，與常規石墨顆粒相比，所述石墨化無煙煤顆粒表面粗糙，且存在納米級的細小裂紋。

進一步地，所述的石墨化無煙煤為石墨化優質無煙煤，石墨化優質無煙煤的石墨化度大于85%，粒徑為5-20μm。

進一步地，所述的無定形碳由可炭化的有機前驅體經過炭化制得，所述有機前驅體包括煤基瀝青、石油基瀝青、酚醛樹脂、糠醛樹脂、環氧樹脂中的一種或多種。

進一步地，所述納米SiO顆粒的粒徑為50-300 nm。

一種高能量密度鋰離子電池負極材料的制備方法，包括以下步驟：

S1、無煙煤顆粒在石墨化爐中于2800℃-3300℃進行石墨化，然后將石墨化無煙煤顆粒通過粉碎、分級，篩選出粒徑范圍為5-20μm的石墨化無煙煤顆粒留待后步使用；