[发明专利]一种高能量密度锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高能量密度锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料制备领域。所述锂离子电池负极材料的原料组成及其质量比为：氧化亚硅（SiO）：无定形碳：石墨化无烟煤=(5~40):(1~20):100；在锂离子电池负极材料中，纳米SiO颗粒被无定形碳包覆在球形石墨化无烟煤颗粒的表面，同时多个球形石墨化无烟煤颗粒与SiO的复合物组成二次颗粒团聚体。制得的高能量密度锂离子电池负极材料在0.1C放电条件下比容量大于1000mAh/g，首次效率大于80%，经过1000次循环后容量保持率大于80%，该方法简单易行，并且容易进行工业放大，制备所用原料资源丰富，同时具有成本优势。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及的是一种高能量密度锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着电动汽车产业的发展，高能量密度的锂离子电池收到越来越广泛的关注。各国政府纷纷制定了高能量密度锂离子电池的发展路线。开发具有高能量密度的电极材料至关重要。

锂离子电池负极材料主要为人造石墨、天然石墨和中间相炭微球等，这些负极材料的理论容量为372mAh/g，若要开发高能量密度锂离子电池还需要进一步提升其容量性能。目前改善锂离子电池能量密度的关键技术之一是将硅基材料引入到石墨负极之中。硅具有极高的理论嵌锂容量，丰富的资源和较好的倍率特性。在电池充电过程中，硅嵌锂形成锂硅合金，体积逐渐膨胀，当嵌锂容量为4200mAh/g时理论体积变化为320%。如此大的体积变化导致颗粒容易粉化，极片容易从集流体脱落。暴露在电解液中的硅负极表面还不容易形成稳定的表面钝化膜（SEI），导致电池首周及每周库仑效率较低，全电池循环性能较差。

为了解决这些难题，在过去20年提出了多种解决技术手段，目前复合材料的可逆容量在450mAh/g以下的碳包覆氧化亚硅、碳包覆纳米硅碳复合材料已经开始用于某些场合的锂离子电池，虽然循环寿命还无法跟石墨类负极相比。但若开发更高能量密度的锂离子电池，还需要更高容量的锂离子电池负极材料。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决锂离子电池负极材料能量密度低的技术问题，本发明提供了一种高能量密度锂离子电池负极材料及其制备方法，该方法简单易行，并且容易进行工业放大，制备所用原料资源丰富，同时具有成本优势。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种高能量密度锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料的原料组成及其质量比为：氧化亚硅（SiO）：无定形碳：石墨化无烟煤=(5~40): (1~20):100；在锂离子电池负极材料中，纳米SiO颗粒被无定形碳包覆在球形石墨化无烟煤颗粒的表面，同时多个球形石墨化无烟煤颗粒与SiO的复合物组成二次颗粒团聚体。

进一步地，所述高能量密度锂离子电池负极材料在0.1C放电条件下比容量大于1000mAh/g，首次效率大于80%，经过1000次循环后容量保持率大于80%。

进一步地，所述石墨化无烟煤颗粒由无烟煤通过石墨化、粉碎、分级、造粒制得，与常规石墨颗粒相比，所述石墨化无烟煤颗粒表面粗糙，且存在纳米级的细小裂纹。

进一步地，所述的石墨化无烟煤为石墨化优质无烟煤，石墨化优质无烟煤的石墨化度大于85%，粒径为5-20μm。

进一步地，所述的无定形碳由可炭化的有机前驱体经过炭化制得，所述有机前驱体包括煤基沥青、石油基沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂中的一种或多种。

进一步地，所述纳米SiO颗粒的粒径为50-300 nm。

一种高能量密度锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、无烟煤颗粒在石墨化炉中于2800℃-3300℃进行石墨化，然后将石墨化无烟煤颗粒通过粉碎、分级，筛选出粒径范围为5-20μm的石墨化无烟煤颗粒留待后步使用；