[发明专利]一种锂离子电池负极材料、其制备方法及锂离子电池

说明书

本发明提供了一种锂离子电池负极材料，包括纳米硅颗粒和碳材料颗粒，所述纳米硅颗粒均匀分散在碳材料颗粒之间，形成微球；所述碳材料颗粒为碳化后的金属有机骨架材料。本发明采用微乳液方法得到微球结构硅碳复合材料，与现有技术中纳米硅嵌入到单个碳材料颗粒里面组成的核壳结构相比，由本发明公开的负极材料制得的锂离子电池具有较高的电化学循环性能和倍率性能，同时，本发明的制备方法简单易行，反应温度低，制备时间短，可控性好，利于大规模生产。实验表明，本发明制得的锂离子电池在0.1C倍率下，首次放电比容量为1800～2069mAh/g，循环120次后，放电比容量为1000～1280mAh/g。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极材料、其制备方法及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、比能量高、工作温度范围宽、放电平稳、体积小、质量轻、无记忆效应及对环境友好等优点，因此在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等领域展示了广阔的应用前景。

随着可移动电子设备对高容量、长寿命电池需求的日益增长，人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求，而负极材料作为提高锂离子电池能量及循环寿命的重要因素，在世界范围内得到了广泛的研究。

20世纪90年代初，日本索尼公司率先开发出碳负极材料，显著提高了锂离子电池的安全性能和充放电循环寿命。然而，碳负极材料的理论比容量只有372mAh/g，其能量密度已无法满足现在各种消费类电子设备，尤其是储能设备及电动车对能量密度的要求，因此迫切需要寻找一种能代替碳材料的高能量密度的负极材料。

其中，硅基负极材料以其巨大的储锂容量(4200mAh/g)、略高于碳材料的放电平台以及在地壳中的储量丰富等优点而备受关注。然而在充放电过程中，硅的脱嵌锂反应将伴随310％的体积变化，极易引起电极的开裂和活性物质的脱落，从而导致电极循环性能的恶化。

解决上述问题的方法之一是合成硅基复合物，以缓冲电极的体积膨胀，提高电极的循环稳定性。Y.Song(参见：Electrochimica Acta,2015,173:588-594)报道了由纳米Si@ZIF-8复合结构获得多孔硅碳锂离子电池负极材料，其中，纳米硅嵌入到单个碳材料颗粒的里面，组成核壳结构。具体的制备步骤为：(1)0.59g纳米硅粉溶于到70mL乙腈中，在搅拌情况下加入1.75mL氢氟酸；(2)搅拌15min后，向上述体系中加入0.15g对氨基苯甲酸和3.15mL亚硝酸异戊酯；(3)搅拌12h后，离心分离出苯甲酸修饰的硅，用酒精清洗，在真空条件下120℃干燥；(4)取0.12g苯甲酸修饰的硅在超声4h条件下分散于120mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中；(5)向上述体系加入1.35g Zn(NO₃)₂·6H₂O，超声0.5h；(6)在搅拌情况下加入3.73g 2-甲基咪唑，然后在125℃条件下加热1h使碳材料(ZIF-8)在硅表面生长；(7)最终得到的Si@ZIF-8离心获得并使用DMF进行清洗。该方法在一定程度上缓解了硅的体积效应，但是对各组分加入的条件及时间都有相对严格的限定，反应温度高，制备时间长，制备步骤繁琐，可控性较差，不利于大规模生产。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种锂离子电池负极材料、其制备方法及锂离子电池，该制备方法简单易行，可控性好，利于大规模生产，制得的负极材料具有较高的比容量，同时，由这种负极材料制得的锂离子电池具有较高的电化学循环性能和倍率性能。

本发明提供了一种锂离子电池负极材料，包括纳米硅颗粒和碳材料颗粒，所述纳米硅颗粒均匀分散在碳材料颗粒之间，形成微球；

所述碳材料颗粒为碳化后的金属有机骨架材料。

优选的，所述纳米硅颗粒的粒径为20nm～200nm。

优选的，所述锂离子电池负极材料的粒径为0.1μm～10μm。