[发明专利]一种锂离子电池负极材料、制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料、制备方法和锂离子电池，属于锂离子电极材料制备领域。

背景技术

目前市场上所用的锂离子电池负极材料以碳系材料为主，其中包括天然石墨与人造石墨，但其较低的理论容量(372mAh/g)，已经满足不了数码手机及其储能领域对电池能量密度的要求。因此，人们迫切需要开发一种能够替代石墨材料的高容量型锂离子电池用负极材料。在诸多的可替代材料中，硅材料因具有较高比容量(理论值为4200mAh/g)，成为替代天然石墨与人造石墨的极具潜力的一种材料。然而，纯硅材料在电池充放电过程中存在巨大的体积变化，这种巨大的体积变化导致制备的极片粉化、脱落，造成电极活性物质与集流体的分离，从而严重影响了电池的循环性能。因此开发出一种在不降低电池循环性能条件下，提高负极材料克容量成为目前的研究锂电池电极材料的研究重点。

硅与石墨复合则可各自发挥自身的优势起到协同作用，同时发挥出硅高容量的特点和石墨强循环性能的优点。比如中国专利CN103346305A公开了一种人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料，将纳米硅、人造石墨溶于分散剂得到均匀分散液后，再加入有机碳源等过程制备出的负极材料，虽然克容量得到提高，但是循环性能一般，远远满足不了数码领域电池的循环要求。中国专利CN103022446A公开了一种锂离子电池硅氧化物/碳负极材料及其制备方法，其材料具有核-壳结构的三层复合材料，采用石墨材料为内核，多孔硅氧化物为中间层，有机热解碳为最外包覆层，制备出的负极材料，克容量虽然得到提高，但是首次效率偏低，循环性能一般，其中间层硅氧化物反应过程中造成体积膨胀，而石墨由于硬度较大，提供膨胀空间较小，使其循环性能一般。

目前技术中石墨与硅复合材料过程中，其内核为石墨或硅及其氧化物，且都为实心核，并普遍存在首次效率低，循环性能差，吸液能力差的技术缺陷，因此需要开发出一种兼顾能量密度的同时，提高电池的吸液能力及其循环性能，以满足数码领域对电池的需求。而采用空心纳米核结构的多元包覆层是一种不错的选择，且目前没有报道。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的第一个目的在于提供一种具有空心纳米核机构的多元包覆层结构，克容量高、首次效率高、吸液能力强、循环性能佳、反弹率低的锂离子电池负极材料。

本发明的第二个目的在于提供一种锂离子电池负极材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种锂离子电池。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂离子电池负极材料，该负极材料具有空心内核的三层包覆结构；其中内层包覆层材料为聚苯胺/碳纳米管复合材料；中间层包覆层材料为硅/石墨复合材料；外层包覆层材料为石墨。

所述外层包覆层材料为沥青石墨化所得的改性石墨。

所述空心内核的直径为0.2μm～1.0μm。

所述内层包覆层的厚度为0.2μm～1.0μm。

所述中间层的包覆的厚度为10.0μm～50.0μm，包覆质量占整个负极材料的50～70％。

所述外层包覆层的厚度为5.0μm～20.0μm，包覆质量占整个负极材料的10～20％。

上述锂离子电池负极材料的制备方法的具体操作步骤如下：将空心聚苯胺/碳纳米管复合材料加入硅/石墨混合液中，分散，加入沥青，融合，得到石墨化前驱体，将上述石漠化前驱体石墨化后得到具有空心内核的三层包覆结构的锂离子电池负极材料。

所述空心聚苯胺/碳纳米管复合材料的粒径为0.5μm～2.0μm。

所述沥青含碳量大于90％。

所述的空心聚苯胺/碳纳米管复合材料、硅的质量比为1：(0.1～0.4)。

所述空心聚苯胺/碳纳米管复合材料、石墨的质量比为1：(9～40)。

所述空心聚苯胺/碳纳米管复合材料、沥青的质量比为1：(5～20)。

所述融合的具体方法为：在30～2000r/min的转速，融合温度为20～100℃的条件下融合200～400min。

所述石墨化的具体方法为：2500～3000℃温度下进行石墨化。

所述空心聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备方法为：将Fe₃O₄、碳纳米管、苯胺混合分散在水中，在0～4℃条件下加入氧化剂反应12～24h，然后加入盐酸，静置12～24h，过滤出固体产物，洗涤，干燥，即得空心聚苯胺/碳纳米管复合材料。

所述碳纳米管接枝聚苯胺的接枝率为10％～20％。