[发明专利]一种基于羟基氧化钴的锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料，具体涉及一种基于羟基氧化钴的锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是20世纪90年代发展起来的绿色能源，与传统的铅酸、镍镉、镍氢等二次电池相比，锂离子电池以其高可逆容量、良好的循环性能和高能量密度、无记忆效应等优点而备受青睐，近十余年来始终为世界各国二次能源研究开发的热点之一。随着现代社会的快速发展，能源短缺和环境污染问题日益严重，锂离子电池在电动汽车、混合动力汽车、电动自行车、太阳能和风能储存和转换、移动式电动工具和中等功率家用电器等方面需要高功率密度和高能量密度能源的使用需要日益迫切。

锂离子电池是指以两种不同的能够可逆地嵌入及脱嵌锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正极中。

负极材料是锂离子电池的重要组成部分，负极材料性能的好坏直接影响到锂电池的性能。高能便携电源的需求激增，加大了对锂离子小电池的需求，高容量、有着可靠循环性的负极材料成为人们研究的重点。大容量动力电池的应用，加大了对电池材料，尤其是高性能负极材料的需求。

目前商业化的锂离子电池负极材料主要采用碳基类材料，以这种材料作为锂电池的负极材料使得电池在安全和循环寿命方面显示出较好的性能，并且碳材料廉价、无毒目前商品锂离子电池广泛采用碳负极材料。碳材料种类繁多，其中主要是石墨，石墨具有低的嵌入电位，优良的嵌入/脱嵌性能，但其较低的比容量(其理论容量仅为372mAh/g)和比能量不能满足需求日益增长的高能量密度、高功率锂离子电池对电极材料的性能的要求。通常采取对石墨的改性如表面处理(表面氧化，表面卤化，碳包覆等)、引入一些金属或非金属元素进行掺杂、机械研磨等来改善负极材料充放电性能，提高比容量。

但由于石墨本身结构特性的制约，比容量已经到达极限、不能满足大型动力电池所要求的持续大电流放电能力等。因此为了满足对电池安全性、高容量、长寿命和快速充放电能力的多重要求并降低成本，亟需开发和改进新一代绿色负极材料。

过渡金属氧化物，如CuO、NiO、CoO等，因其较高的理论容量和较好的安全性越来越受到关注和青睐，但由于过渡金属氧化物的本征导电性差，部分活性物质在循环过程中由于体积的变化而产生粉化，从而失去了有效电接触，降低了电池的比容量和循环性能。

而羟基氧化钴(CoOOH)具有较好的导电性，可克服上述负极材料由于导电性能不足的缺点。羟基氧化钴在电化学循环过程中，钴能从+3价放电到+2价，具有充放电可逆性。此外，羟基氧化钴具有较高的振实密度，加工性能好，利于提高电池的比容量。

发明内容

本发明提供一种放电电压高、比容量高、理论储锂容量为商业碳数倍的基于羟基氧化钴的锂离子电池负极材料。

一种基于羟基氧化钴的锂离子电池负极材料，按重量百分比计，原料组成为：羟基氧化钴10～100％，碳材料0～90％。

碳材料具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、嵌锂前后体积变化小、具有一定的嵌锂容量和嵌锂电位低等优点，但由于碳材料本身结构特性的制约，比容量值较低、不能满足大型动力电池所要求的持续大电流放电能力等。

而羟基氧化钴(CoOOH)具有较好的导电性，在电化学循环过程中，钴能从+3价放电到+2价，具有充放电可逆性。此外，羟基氧化钴的密度较高，因而有利于材料的体积容量密度的提高，这在锂离子电池电极材料的实际应用中具有非常重要的意义。因此本发明中引入了羟基氧化钴，即在羟基氧化钴中掺杂一定量的碳材料，由于碳材料良好的导电性，增强了羟基氧化钴颗粒间的电接触，有利于电极电子电导率的提高，增强了活性物质的利用率，从而提高了电极的循环稳定性。

作为优选，所述的基于羟基氧化钴的锂离子电池负极材料的原料组成为：羟基氧化钴10～95％，碳材料5～90％。

作为另一种优选方式，所述的基于羟基氧化钴的锂离子电池负极材料的原料组成为：羟基氧化钴100％，碳材料0％。

为提高比容量及循环性能，所述羟基氧化钴的颗粒尺寸不大于20微米。

所述的碳材料为乙炔黑、石墨或炭黑中的一种或其任意组成的混合物。

由于石墨导电性好，结晶程度高，具有良好的层状结构，十分适合锂离子的反复嵌入-脱嵌，因此，作为优选，所述的碳材料为石墨。

本发明还提供了所述的基于羟基氧化钴的锂离子电池负极材料的制备方法，具有操作简单、反应条件温和的优点。