[发明专利]类石墨结构的锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极材料及其制备方法，特别是一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

作为锂离子电池负极材料，碳基材料具有放电容量高、循环寿命长、成本较低等优点。因此目前广泛应用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳材料，如人造石墨、天然石墨、中间相碳微球(MCMB)、石油焦、热解树脂碳等，但碳基材料也同时存在着比如与PC电解液相容性差，高倍率放电性能差，以及高温下容易出现安全隐患的不足，研究者多采用包覆技术改善材料与电解液相容性差的问题，改善锂离子与溶剂的共嵌问题，如：包覆裂解碳[Electrochimica Acta52(2007)6006-6011，J Power Sources 2003(119-121)：934-937]，包覆Cu₂O[J Power Sources 2007，171：904-907]，通过包覆使锂离子脱嵌过程的体积效应得到有效的缓冲，与PC电解液的相容性得到了改进，材料的循环寿命也大大改善；碳基材料的球形化[Solid State Ionics 176(2005)905-909]也能改善材料的大电流放电性能。尽管经过上述改性，但是碳基材料在高温情况下或高倍率放电的情况下仍然存在安全问题，在用于动力电池的锂离子电池负极材料中仍然存在枝晶等安全隐患。

由于锂离子在传统的碳基材料的嵌入电位比较低，与锂金属的沉积电位只相差85mV，在大电流充放电及存在电化学极化的情况下必然导致金属锂在负极表面沉积，当金属锂发生不均匀沉积就导致枝晶问题出现，存在安全隐患。如果提高材料的放电电位在0.5-1.0V之间[M.Thackeray，China Li-ion Top Forum，2008]，这将抑制枝晶的形成，从根本上改善碳基材料的安全性能。

石墨为层状结构，充电时锂离子嵌入石墨层中形成插入化合物(IntercalationCompound)；BN俗称白石墨，和石墨具有相同的层状结构，但是导电性较差，层间距较小，不能在锂离子电池中应用；而BCN化合物，具有与石墨和氮化硼类似的层状结构，其导电性和层间距介于石墨和BN之间，为半导体材料，锂离子也可能嵌入其层之间形成嵌入式化合物，有望作为负极材料应用于锂离子电池，并且硼和氮电负性与碳不同，用碳和氮原子代替石墨层中部分碳原子形成由B-C-N六元环组成的片层，这会使锂离子嵌入B-C-N层的吉布斯自由能不同，造成锂离子在BCN化合物充电和放电电位与普通的石墨有所差异(AG＝-nEF)，这将使得锂离子的嵌入电位和锂金属的还原电位差变大，防止锂单质在负极表面的沉积，防止枝晶形成。研究者已采用多种方法，合成了石墨结构的B-C-N化合物，研究发现该材料的放电平台与普通碳材料不同[J Power Source，43-44(1993)：75-80]，且材料首次放电容量较高。合成B-C-N的化合物多采用化学气相沉淀法(J.AM.CHEM.SOC.2005，127，16354-16355)，物理气相沉淀法[App1.Sur.Sci.1998，(127-129)：692-696]，高能球磨的方法[Diamond& Related Materials 16(2007)1450-1454]，这些方法步骤繁琐，成本较高，难以实现产业化。

发明内容

本发明的目的是提供一种类石墨结构的锂离子电池负极材料及其制备方法，要解决的技术问题是改善锂离子电池的安全性，防止锂离子电池负极材料中枝晶的形成。

本发明采用以下技术方案：一种类石墨结构的锂离子电池负极材料，所述类石墨结构的锂离子电池负极材料是BCN化合物，具有纤维晶体结构，晶体的层间距在0.300～0.400之间，其粒度为1～75μm，锂嵌入该材料电位为0.2～0.8V，脱出电压为0.2～1.0V。

本发明的类石墨结构的锂离子电池负极材料具有100-1500mAh/g的首次放电比容量。