CN102931413A

CN102931413A - 一种锂离子电池负极材料

Info

Publication number: CN102931413A
Application number: CN2012104641496A
Authority: CN
Inventors: 卢志威; 孙文彬; 彭庆文; 任丽彬; 许寒
Original assignee: CETC 18 Research Institute
Current assignee: CETC 18 Research Institute
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，包括硅基材料，硅基材料表面包覆有碳材料和碳的前驱体，其特点是：所述硅基材料表面包覆有锂盐添加剂；所述硅基材料、碳材料、碳的前驱体和锂盐添加剂混合的质量比为5-10:5-10:15-30:1-2。本发明硅基材料表面不仅包覆了选用了碳材料、碳的前驱体，还在包覆材料中添加了锂盐添加剂，本发明不仅很大程度上提高了材料的包覆，而且有效提高了材料的振实密度，能够有效提高锂离子电池的能量密度。

Description

一种锂离子电池负极材料

技术领域

本发明属于锂电池材料技术领域，特别是涉及一种锂离子电池负极材料。

背景技术

自上世纪九十年代，Sony公司使用片层石墨代替安全性极差的金属Li，制备成功第一种可充的锂离子二次电池以来，锂离子电池因其高比能量，无污染，应用范围得到了飞速发展，已从移动通讯电源、笔记本电脑、摄像机等扩大到电动工具、电动汽车等领域。而现有的碳负极的电化学容量偏低，不能满足科技发展的对便携二次电池性能的进一步要求。硅材料由于其电化学可逆容量高，安全性好，资源丰富等优势，已成为锂离子二次电池负极材料的首选材料。作为锂离子电池的硅材料具有极高的理论电化学容量，但硅材料在电化学嵌锂过程中的体积变化过大，首次充放电效率较低，严重阻碍该电极材料的实际应用。

目前，通常采用磁控溅射，化学气相沉积，热蒸发方法制备硅纳米薄膜，硅纳米颗粒，硅纳米线，实现了硅材料的纳米化技术，减小了硅材料在电化学嵌锂反应过程中的内应力变化，提高了首次充放电效率和循环稳定性。但是采用上述方法不仅提高了电池负极材料的制作成本，而且存在硅基材料的涂覆效果差、振实及压实密度低的问题，不适合大规模商业应用的需要。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供电池负极材料制作成本低、硅基材料的涂覆效果好、振实密度高，能够有效提高锂离子电池的能量密度，并且适合大规模商业应用的一种锂离子电池负极材料。

本发明采取的技术方案是：

一种锂离子电池负极材料，包括硅基材料，硅基材料表面包覆有碳材料和碳的前驱体，其特点是：所述硅基材料表面包覆有锂盐添加剂。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述硅基材料、碳材料、碳的前驱体和锂盐添加剂混合的质量比为5-10:5-10:15-30:1-2。

所述硅基材料为多晶硅、单晶硅，或其混合物；所述碳材料为人造石墨、天然石墨、碳纤维、硬碳、无定型碳中的一种；所述碳的前驱体为沥青材料或含碳有机物；所述锂盐添加剂包括，磷酸盐、硝酸盐、草酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物等有机酸或无机酸锂盐的一种或几种。

所述沥青材料为高软化点沥青、中软化点沥青、低软化点沥青中的一种。

所述含碳有机物为单糖、双糖、多糖中的一种。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明硅基材料表面不仅包覆了选用了碳材料、碳的前驱体，还在包覆材料中添加了锂盐添加剂，本发明不仅很大程度上提高了材料的包覆，而且有效提高了材料的振实密度，能够有效提高锂离子电池的能量密度。

附图说明

图1是本发明锂离子电池负极材料与公知材料首周电化学循环过程曲线图；

图2是本发明锂离子电池负极材料电化学循环过程曲线图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

一种锂离子电池负极材料，包括硅基材料，硅基材料表面包覆有碳材料和碳的前驱体。

本发明的创新点是：所述硅基材料表面包覆有锂盐添加剂；所述硅基材料、碳材料、碳的前驱体和锂盐添加剂混合的质量比为5-10:5-10:15-30:1-2；所述硅基材料为多晶硅、单晶硅，或其混合物；所述碳材料为人造石墨、天然石墨、碳纤维、硬碳、无定型碳中的一种；所述碳的前驱体为沥青材料或含碳有机物；所述锂盐添加剂包括，磷酸盐、硝酸盐、草酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物等有机酸或无机酸锂盐的一种或几种；所述沥青材料为高软化点沥青、中软化点沥青、低软化点沥青中的一种；所述含碳有机物为单糖、双糖、多糖中的一种。

本发明锂离子电池负极材料的制作过程：

⑴将10g多晶硅，10g石墨，30g煤沥青和2.5g醋酸锂混合，在100mL乙醇溶液球磨30小时，加热抽离乙醇溶液，得到均匀的前驱体；

⑵将所得的前驱体置于高温炉中，氩气气氛下5℃/min升温到900℃，高温烧结5h，自然降温冷却后制得硅基负极材料；经测试，该材料的振实密度达到1.0g/mL以上。使用该材料制备成锂离子电池，该材料的质量比容量达到1000mAh/g以上，几乎是传统碳材料的3倍。

本发明锂离子电池负极材料的另一制作过程：

⑴将10g多晶硅，10g石墨，40g煤沥青和2.5g醋酸锂混合，在100mL乙醇溶液球磨30小时，加热抽离乙醇溶液，得到均匀的前驱体；

⑵将所得的前驱体置于高温炉中，氩气气氛下5℃/min升温到900℃，高温烧结5h，自然降温冷却后制得硅基负极材料；经测试，该材料的振实密度达到1.1g/mL。该材料的样品容量在950mAh/g左右，且在10周循环内不发生衰减；首周效率80.3%。

图1为本发明与公知材料首周电化学循环过程曲线比较图，其中上升曲线为本发明制备材料的试验曲线；图2为本发明材料的电化学循环过程曲线图，图中的“□”为充电容量、“■”为放电容量；通过图1和图2可以看出，本发明负极材料振实密度能够达到1.0g/mL以上，其材料的质量比容量大于950mAh/g，几乎为传统碳材料的3倍。

本发明材料的制备原理：前驱体中碳类材料，能够在电极材料主体内部及表面搭建规整的碳层结构，提高材料的导电性能；锂盐作为添加剂，能够在硅颗粒的表面与氧化物层反应，有助于形成SEI膜，减小首次嵌锂反应不可逆容量；碳材料和添加剂复合包覆，能够有效地缓解硅材料在电化学反应中的团聚，提高硅基材料的循环寿命；球磨-烧结结合的方法，既能够有效降低材料的制作成本，又能够使材料的粒度达到纳米尺寸，降低材料在电化学反应中的内应力、缓解材料粉化的趋势，还能够使材料颗粒表面与氧化物层得到充分反应，在材料颗粒表面形成良好的膜，提高材料的涂覆效果、振实及压实密度。本发明采用球磨-烧结的方法，采用硅、碳材料和少量作为添加剂的锂盐作为原料，经过球磨和烧结处理，形成了硅-石墨-碳-含锂复合层的锂离子电池用硅基负极材料；本发明制备的材料在具有首次充放电效率高、循环稳定性好的前提下，不仅材料的制作成本降低，而且材料的涂覆效果好、振实及压实密度高，能够有效提高锂离子电池的能量密度，适合大规模商业应用的需要，为高功率、高能量用电设备，如电动车等的发展提供了发展的基础。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锂离子电池负极材料，包括硅基材料，硅基材料表面包覆有碳材料和碳的前驱体，其特征在于：所述硅基材料表面包覆有锂盐添加剂。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料，其特征在于：硅基材料、碳材料、碳的前驱体和锂盐添加剂混合的质量比为5-10:5-10:15-30:1-2。

3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池负极材料，其特征在于：所述硅基材料为多晶硅、单晶硅，或其混合物；所述碳材料为人造石墨、天然石墨、碳纤维、硬碳、无定型碳中的一种；所述碳的前驱体为沥青材料或含碳有机物；所述锂盐添加剂包括，磷酸盐、硝酸盐、草酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物等有机酸或无机酸锂盐的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池负极材料，其特征在于：所述沥青材料为高软化点沥青、中软化点沥青、低软化点沥青中的一种。

5.根据权利要求2所述的一种锂离子电池负极材料，其特征在于：所述含碳有机物为单糖、双糖、多糖中的一种。