[发明专利]一种负极活性物质、硅碳负极材料、硅碳负极极片和高能量密度快充型锂离子电池

说明书

本发明提供了一种负极活性物质、硅碳负极材料、硅碳负极极片和高能量密度快充型锂离子电池。该负极活性物质含有石墨和含硅材料；含硅材料为核壳结构，包括内核和壳层，内核为硅粉和导电炭黑的混合物，壳层为石墨烯层；石墨的配向性I(004)/I(110)的值为0.5～4。本发明通过选用具有特定配向性的石墨与特定结构的含硅材料相搭配制备负极活性物质，大幅提升了锂离子电池的能量密度以及大倍率充电能力，可以有效降低大倍率充电温升，保证电池的安全性能和使用寿命。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种负极活性物质、硅碳负极材料、硅碳负极极片和高能量密度快充型锂离子电池。

背景技术

近年来，随着锂离子电池技术的发展，锂离子电池已广泛应用于汽车领域。与传统燃料汽车相比，电动汽车普遍存在充电速度慢的缺点。电动汽车正常充电时间需要7～8h，采用快速充电模式也在1h以上。因此研究开发能够在6～10min内充满电的锂离子电池具有重要意义。

目前，市场上改善锂离子电池快充性能的普遍方法是采用改性钛酸锂，如中国专利CN201510116652.6公开了一种复合钛系氧化物负极材料及包含其的快充型锂离子电池，其主要通过两种钛系氧化物复合来提高电池的循环性能和倍率性能。但是钛酸锂作为负极材料时，电位平台高达1.55V，单体电芯的能量密度较低，导致钛酸锂系列锂离子电池的应用领域受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种负极活性物质、硅碳负极材料、硅碳负极极片和高能量密度快充型锂离子电池。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种负极活性物质，所述负极活性物质含有石墨和含硅材料；所述含硅材料为核壳结构，包括内核和壳层，所述内核为硅粉和导电炭黑的混合物，壳层为石墨烯层；所述石墨的配向性I(004)/I(110)的值为0.5～4。

本发明的负极活性物质，含硅材料的内核选用硅粉和导电炭黑混合物，同时在表面包覆形成石墨烯层，既保证了负极材料具有较高的能量密度，又提高了其在大倍率充电时的电子转移能力，同时改善负极的导热能力，将热量及时散出，抑制温升；通过选用具有特定配向性的石墨和含硅材料搭配，进一步协同提高了电池的快充能力，保证了电池的循环性能以及安全性能。

上述的负极活性物质，优选的，为了提高负极的导电性，所述导电炭黑的质量为含硅材料质量的0.5～5％。

上述的负极活性物质，优选的，为了得到完整的石墨烯包覆壳层，较好地抑制硅的体积膨胀，保证负极材料的倍率性能同时快速降低温升延长电池使用寿命，所述石墨烯层的质量为含硅材料质量的1～5％。

上述的负极活性物质，优选的，所述含硅材料的粒径D50为100～200nm，比表面积≥25m²/g。含硅材料的粒径及比表面积需控制在本发明的范围内，粒径太低或者比表面积过大，将难以得到表面均匀包覆石墨烯层的含硅材料，且含硅材料与石墨很难分散均匀；粒径太大或者比表面积太小，会导致电池材料在循环过程中容易发生体积膨胀，造成循环性能下降。

上述的负极活性物质，优选的，所述石墨为人造石墨和/或天然石墨，所述石墨的粒径D50为4～10um，比表面积≥2.0m²/g。

将含硅材料和石墨的粒径以及比表面积协同控制在本发明的范围内，有利于提高负极材料的真实密度和能量密度，保证负极材料的综合性能。

上述的负极活性物质，优选的，为了改善电池的大倍率充电能力，所述石墨和含硅材料的质量比为(3-19):1。

上述的负极活性物质，优选的，为了得到综合性能最佳的负极活性物质，其制备方法包括以下步骤：