[發明專利]一種鋰離子電池鋁箔負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202310297502.4
• 申請日: 2023-03-24
• 公開（公告）號: CN116230901A
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 常興華;胡東;蘇曉川;張斌;金勝明;崔葵馨
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/46;H01M4/38
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 汪金連

本發明提供了一種鋰離子電池鋁箔負極材料及其制備方法，該方法將金屬鋁應用于單片材料體系，基于化學置換反應，采用輥壓?熱處理法，將目標金屬元素摻雜到鋁箔復合材料中，實現鋁箔的合金組分設計，并且能夠在鋁箔層間摻入碳元素，改善鋁箔負極的儲鋰性能。本發明的制備方法簡單可行，工藝流程簡單、成本低廉，短時間可以實現大量鋁箔的改性，并且反應原料能夠反應完全，無用的反應產物可自行揮發。此外，改性后的鋁箔材料可直接用于鋰離子電池負極材料，能夠有效提高鋁箔負極材料的儲鋰性能。

技術領域

本發明涉及鋰電池加工技術領域，特別涉及一種鋰離子電池鋁箔負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池具有高比能量、高倍率性能和長循環壽命、無記憶效應、高輸出電壓、低自放電、較寬的工作溫度范圍等優點，是一種重要的電化學儲能技術。在提高鋰離子電池能量密度、功率密度的進程，電極材料的研發一直是研究重心。由于正極材料的能量密度已經逼近理論比容量，難以通過對正極材料改性實現電池能量密度的大幅提高，因此，開發新型負極材料是顯著提高鋰離子電池能量密度的研究熱點之一。

當前商業負極材料主要是石墨負極材料，其具有使用壽命長、價格低廉、資源豐富等特點，但是，理論比容量較低，僅有372mAh/g，不能滿足市場的需求。合金化型負極材料如硅、鋁、錫等通常具有較高的理論比容量，有望成為下一代商業負極材料。硅是目前研究較多的負極材料之一，硅碳負極已經得到小規模商業化應用。硅的理論比容量達4200mAh/g(Li_4.4Si)，并且硅的工作電壓約為0.4V，非常符合市場的需求，但是，硅存在巨大的體積膨脹(Li_4.4Si～360％)，導致活性物質脫離以及SEI膜的不斷形成，最終造成儲鋰性能急劇下降。

作為合金化型負極材料的一種，金屬鋁具有穩定的電壓平臺(嵌鋰平臺～0.25V及脫鋰平臺～0.48V)且高的理論比容量(993mAh/g～LiAl)，同時具有高導電性、成本低廉、環境友好等優點，因此，鋁基負極材料具有很大的發展潛力。但是，金屬鋁負極在脫嵌鋰過程容易出現失效，導致其電化學性能急劇惡化。關于鋁基負極材料的失效機理，學界沒有統一的認識，但也取得一些進展：(1)嵌鋰過程中所產生較大的晶格應變能阻礙了鋰鋁合金相變，并阻礙了畸變基體中的鋰擴散過程；(2)金屬鋁表面的氧化層阻礙了鋰離子和電子之間的耦合反應，并且氧化鋁會不可逆地消耗鋰離子形成Li-Al-O玻璃體；(3)基于雙向擴散過程控制導致部分鋰離子陷在活性材料內部，而無法脫離出去；(4)反復的體積膨脹導致較差的電極結構穩定性，導致電解液不斷還原分解，SEI膜不斷增厚。針對上述失效機理制定的鋁基材料改性策略主要集中在兩個方向，一是納米結構構筑，二是合金組分設計。納米結構構筑能夠有效克服因體積膨脹而引起的電極材料粉碎破壞的現象，從而獲得具有優異電化學性能的納米鋁基材料仍然較為困難。采用自上而下的合成方法(如機械球磨法)制備納米鋁基材料較為簡單，從工業生產的角度考慮具有可行性，但是金屬鋁本身具有低的莫氏硬度，難以獲得目標尺度的納米鋁基材料。采用自下而上的合成方法(如等離子體化學氣相沉積法、液相還原法等)制備納米鋁基材料，能夠實現原位合成納米鋁基材料，但是需要復雜嚴苛的合成技術，無法匹配當前工藝生產技術。另外，金屬鋁極強的還原性對合成過程中的氧、水環境因素要求更為苛刻，在納米化過程中，金屬鋁容易形成氧化層，高比表面積的氧化層導致納米鋁表面導電性急劇下降，阻礙鋰離子與電子的耦合反應，不利于納米鋁儲鋰性能的提高。合金組分設計主要目的是將活性組分(例如硅、錫、銻等)或非活性組分(例如銅、鐵、鎳等)引入金屬鋁體相中，能夠實現開發具有特定合金相組成的大尺寸鋁箔電極材料，提高鋰離子電池的能量密度。引入活性組分能夠破壞鋁基材料的晶體結構，提升其機械穩定性。引入非活性組分能夠有效提高鋁基材料的導電性，并且緩解鋁基材料在充放電過程中的應力變化。但是，合金組分設計的實現途徑目前較為局限，以磁控濺射法為主，其制備成本較高，不利于商業化應用。