[发明专利]一种锂离子电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子二次电池能量密度大、工作电压高、循环寿命长、无污染、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、大规模储能、空间技术、国防工业等多方面具有广泛的应用前景，成为“十二五”期间的研究热点。

锂离子电池的关键技术之一在于对负极材料的研究，从而提高电池的性能。石墨材料具有导电性好、结晶度高、价格低廉、安全性高等特点，是目前商业用锂离子电池生产中最主要的负极材料。但是石墨材料的理论容量最高只有372mAh/g。随着社会的发展，人们对锂电池能量密度的要求越来越高，而石墨材料的容量在一定程度上制约了锂电池能量密度的进一步提高。

与目前市场化的石墨相比，硅负极理论上比容量可提高约10 倍，约为4000mAh/g左右。但由于硅体积受充放电影响的变化较大，电极构造会受到破坏，因此充放电循环寿命较短，单独使用很难实现实用化。为了缓解锂离子嵌入脱嵌过程中硅负极的破坏，使用其他材料对晶体硅进行包覆是一种有效的方式。日立麦克赛尔开发出了以二氧化硅和炭包覆晶体硅的复合负极材料，通过负极采用硅类材料，使新款电池容量可比该公司原产品提高10％。从负极材料的稳定性以及低成本的要求考虑，使用炭材料来包覆纳米硅颗粒是一种可行的方法。碳硅复合负极材料的制备方法主要包括热分解法，溶胶-凝胶法，高能机械球磨法，化学气相沉积法等。

上个世纪80年代末，研究者发现，将沥青、生焦等材料经过浓硝酸/硫酸混合物处理后，可以得到既能溶于部分有机溶剂，又能溶于碱性水溶液的材料。基于此特性，研究者将这类材料统称为两亲性炭材料。由于两亲性炭材料是一种在保持沥青、生焦等前躯体固有优点的同时，还兼备了水溶性，富官能团性，热固性等优点的碳质材料。两亲性炭材料是在制备炭材料过程中可以避免有机溶剂的使用，降低化学试剂用量，省去氧化稳定化过程，具有经济，节能，环保的特点，符合绿色化工的要求。

综上所述，为了满足市场对锂离子电池性能的需求，提升锂电池的整体性能，以两亲性炭材料为炭源开发低成本，适于量产的炭硅复合负极材料，再制备成锂离子电池炭硅复合负极浆料，进而开发成本低廉，能量密度高的以炭硅复合浆料为负极的锂离子电池是非常有意义的。

国家知识产权局于2007.1.10公开了一件申请号为200510082822.X，名称为“一种具有球形核壳结构的碳硅复合材料及其制法和用途”的发明专利。该发明涉及一种碳硅复合材料，具体地说是涉及一种具有球形外观、核壳结构的碳硅复合材料，其为平均粒径1.2～53微米、具有“核壳”结构的球形颗粒，其中，硅占颗粒总重的5～50wt%，碳占颗粒总重的50～95wt%；其内核部份为平均粒径1～45微米的球形的碳颗粒；该碳颗粒为选自石墨化中间相碳小球，硬碳球和球形化石墨中的一种、二种或三种材料的混合物；其外壳层的厚度为0.1～4微米，由碳和平均粒径为10纳米～4微米的硅晶粒组成。该碳硅复合材料是将超细硅粉与碳粉复合成浆后包覆在内部具有球形的碳颗粒上，通过热解和化学气相沉积得到的。该材料可直接用于二次锂电池的负极活性材料，也可将此材料与其它现有的负极材料混合使用，作为二次锂电池的负极活性材料。

该技术将硅包覆于炭的外层，不利于用炭来缓冲硅的嵌锂膨胀效应，对材料的循环性是不利的；该材料使用热解与化学气象沉积制备炭硅复合材料，设备较为复杂，生产能耗大；该材料颗粒为微米级别，不利于电池的高倍率放电。

国家知识产权局于2012.2.15公开了一件申请号为201110192069.5，名称为“一种锂离子电池纳米炭微球负极材料及其制备方法”的发明专利。该发明涉及一种锂离子电池纳米炭微球负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料技术。所述的锂离子电池纳米炭微球负极材料由煤沥青基两亲性炭材料、石油沥青基两亲性炭材料、中间相沥青基两亲性炭材料、石油焦基两亲性炭材料、针状焦基两亲性炭材料和沥青焦基两亲性炭材料之中的一种经过配制溶液、搅拌以及精馏分离等步骤制成，本发明制备的纳米炭微由两亲性炭材料在表面张力的约束下自组装形成，因此球粒径均匀，球形度好，作为锂离子电池负极材料具有高的可逆容量和优良的循环性能。

上述材料为单一的炭负极材料，由于炭材料的容量瓶颈，限制了材料比容量的进一步提高。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的问题，提供一种满足市场对锂离子电池性能的需求，能够提升锂电池的能量密度，开发成本低廉的锂离子电池。

本发明的另一个目的是提供一种针对上述锂离子电池的制备方法，能够达到制备出循环寿命长，能量密度高，一致性好的锂离子电池目的。