[发明专利]一种负极材料的制备方法、负极材料及锂电池

说明书

本发明提供了一种负极材料的制备方法，包括由高容量活性浆料、高分子化合物及聚丙烯腈溶液通过凝固浴形成高分子化合物和聚丙烯腈双重包覆的高容量活性材料的前驱体；将得到的前驱体经过预氧化和碳化处理之后得到负极材料。本发明所述的负极材料在制备过程中形成空间结构，所述的空间结构为本发明所述的负极材料在充放电过程中的体积膨胀提供一定的缓冲空间，使得到的锂电池的容量、循环性能和首次效率得到显著的提高。

技术领域

本发明涉及一种负极材料的制备方法、负极材料及锂电池。

背景技术

随着便携电子设备和动力汽车等的迅速发展，具有高能量密度和更长循环寿命的锂离子电池的需求越来越大。

硅材料因其超高的理论比容量(3579mAh/g Li₁₅Si₄)，低的嵌锂电位(小于0.5VLi/Li⁺)、环境友好型及原材料丰富等备受关注，被认为下一代高性能锂离子电池负极材料。然而在嵌锂的过程中Si会形成Li₂₂Si₄合金相，并伴有巨大的体积膨胀(400％)，该过程中产生的机械应力造成材料坍塌、电极结构不稳定从而引起电化学性能下降，除此之外，由于硅是半导体，电导率较低也会影响电池性能。因此，为改善硅基负极循环性能，提高材料在循环过程中的结构稳定性，通常将硅材料纳米化和复合化。目前，硅/碳型复合材料中，因碳材料具有较高的电子电导与离子电导，可改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循环过程中的体积效应。此外，碳材料能阻隔硅与电解液直接接触，降低不可逆容量。但缺点是硅材料和碳材料二者的界面接触较差，对硅材料进行完整均匀的碳包覆难度较大。因此，高能量、高安全性的硅基材料还没有大量的运用到商业化生产。

发明内容

本发明提供了一种负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将高容量活性材料浆料及高分子化合物混合得到混合物A；

2)将混合物A和聚丙烯腈溶液混合得到悬浮液；

3)将所述悬浮液加入到凝固浴中形成高分子和聚丙烯腈双重包覆的高容量活性材料的前驱体；

4)将步骤3)得到的前驱体经过预氧化和碳化处理之后得到负极材料。

本发明中将高分子化合物均匀的分散在高容量活性材料颗粒的表面，再与聚丙烯腈溶液混合，通过凝固浴形成高分子化合物和聚丙烯腈双重包覆的高容量活性材料的前驱体，所述的前驱体经过预氧化和碳化之后，高分子化合物分解，得到的高容量活性材料与包覆在高容量活性材料表面的硬碳层之间形成空间结构，所述形成的空间结构为本发明所述的负极材料在充放电过程中的体积膨胀提供一定的缓冲空间，使得到的锂电池的容量、循环性能和首次效率得到显著的提高。

作为一种实施方式，所述负极材料包括高容量活性材料及包覆在高容量活性材料表面的硬碳层，其中所述硬碳层的厚度为200nm～800nm；所述负极材料的平均粒径为5μm～35μm。

作为一种实施方式，所述硬碳层的厚度为300nm～600nm；所述负极材料的平均粒径为10μm～30μm。

作为一种实施方式，所述高容量活性材料的质量与负极材料的质量比为3：20～12：20。

作为一种实施方式，所述高容量活性材料的质量与负极材料的质量比为1：5～1：2。

作为一种实施方式，步骤1)所述的高容量活性材料浆料通过将高容量活性材料、分散剂及低沸点有机溶剂混合、研磨得到混合物a，然后将混合物a及高沸点有机溶剂混合、蒸馏得到。

本发明先通过砂磨减少高容量活性材料的粒径，在通过溶剂置换的方法制备得到高容量活性材料浆料，使用高容量活性材料浆料和高分子化合物混合反应，防止了高容量活性材料本身的团聚，同时也防止高容量活性材料和高分子化合物发生团聚。