[发明专利]一种用于锂离子电池的复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用的负极材料及其制备方法，具体涉及一种锂离子电池用Si/针状焦复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着化石燃料的日益枯竭，能源危机已成为全球关注的焦点，因此新能源的发展目前均列入各国摆脱经济衰退、抢占未来发展制高点的重要战略产业。在新能源领域中，锂离子电池因其能量密度高、功率密度高、循环性能好、环境友好、结构多样化及价格低廉等优异特性已在摄像机、移动电话、笔记本电脑等便携式电子电器中得到广泛应用。近十年来，由于锂离子电池的快速发展，使得全球的通讯、能源等行业取得蓬勃发展，而且，一旦锂离子电池的能量密度和功率密度能进一步得到大幅度提高，则其必将成为未来纯电动汽车、混合动力汽车、空间技术等高端储能系统的理想电源。

就锂离子电池的结构而言，其主要由正极、负极、隔膜和电解液构成，而负极材料的电极性能能否进一步提高成为制约锂离子电池向高端领域发展的决定因素。目前，市售的锂离子电池负极材料均是基于锂离子(Li⁺)在石墨层中的嵌入/嵌出机制而存储电荷，如中间相碳微球(MCMB)、改性石墨和针状焦。

中国专利02100442.0报道了天然石墨用作负极材料时粘结剂的选择技术，中国专利02125715.9阐述了炭包覆天然石墨的制备方法，中国专利01122693.5说明了当中间相碳微球用作负极材料时锂离子电池的制备技术。但有关针状焦用作负极材料的专利申请较少，只有中国专利申请200710075897.4阐明了针状焦用作锂离子电池负极材料的改性方法，但经改性后的针状焦的嵌脱锂容量同MCMB和改性天然石墨一样，保持在350mAh/g左右，而全球经济的发展则要求具有更高比容量和更高比能量的负极材料出现。

目前，MCMB占据中国90％以上的锂离子电池负极材料市场，而日本60％左右则以针状焦为主。针状焦的嵌锂容量一般在280～320mAh/g、首次库伦效率高达85％以上，并在0.25～0.5V具有稳定的充放电平台，但针状焦同石墨一样，其理论嵌锂容量仅有372mAh/g。显然，在针状焦现有电极性能的基础上，进一步提升其嵌锂容量和充放电速度，则其在中国乃至全球必将有着很大的发展空间。另外，Si作为锂离子电池负极材料，其理论嵌锂容量为4200mAh/g，但存在导电性差、因体积易于膨胀而导致循环寿命短等不足。

发明内容

因此，为解决现有锂电池电极材料性能不强的问题，本发明的目的是充分利用针状焦和Si的各自优势，提供一种嵌锂容量高、性能优良的复合负极材料及其制备方法。

本发明的技术方案是，一种用于锂离子电池的复合负极材料，其中，所述复合负极材料由纳米Si和石墨化针状焦构成，平均粒径为5～15μm，所述复合负极材料中纳米Si所占质量含量为5～30％。

较好的是，所述针状焦是煤系或石油系针状焦。

本发明还提供了一种用于锂离子电池的复合负极材料的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将针状焦机械球磨至粒径为5～15μm；

(2)将上述针状焦在氩气气氛下进行石墨化处理0.5～2h；

(3)将石墨化针状焦与纳米Si进行机械混合；

(4)以富碳前驱体为碳源，采用化学气相沉积技术，在Si/针状焦的颗粒表面沉积5～10nm厚度的碳；

(5)在还原性气体的气氛下，对上述涂层碳的Si/针状焦复合负极材料进行表面处理1～3h，即制得锂离子电池用Si/针状焦复合负极材料。

其中，步骤(3)中进行机械混合时，是将纳米Si和石墨化针状焦置于QM-1SP2行星式球磨罐中，以500r/min的转速球磨10h。步骤(4)的化学气相沉积技术是采用氮气作稀释气体。

上述化学气相沉积条件是：沉积温度，500～1200℃；稀释气体流量，20～100ml/min；沉积时间，0.5～3h。

在本发明用于锂离子电池的复合负极材料的制备方法中，较好的是，步骤(2)所述氩气气氛温度为2000～2800℃。

根据本发明所述的用于锂离子电池的复合负极材料的制备方法，较好的是，所述Si为纳米Si、纳米氧化硅、纳米二氧化硅中的一种；所述Si的粒径为10～50nm。

进一步地，所述纳米硅与石墨化针状焦的质量比为1∶4-6.

根据本发明所述的用于锂离子电池的复合负极材料的制备方法，较好的是，所述富碳前驱体选自苯、甲苯、乙烷、乙烯、丙烷、丙稀、煤焦油类化合物中的一种或多种。