[发明专利]一种固体电解质包覆石墨复合材料及其制备方法和应用、锂离子电池

说明书

本发明属于锂离子电池制备领域，具体公开了一种固体电解质包覆石墨复合材料及其制备方法和应用、锂离子电池。本发明在石墨内核与碳层之间设置包含固体电解质的中间层，是因为固体电解质为立方体结构，锂离子的嵌出通道多且结构稳定，将其包覆在石墨表面一方面可以利用固体电解质形成的人工电解质膜提高锂离子的传导速率，另一方面可以利用最外层的无定形碳层提高电子的传输速率，从而提高复合材料的快充性能和安全性能。本发明采用磁控溅射法沉积固体电解质复合材料，能够显著改善材料外壳的结构稳定性和快充性能；加之最外层的无定形碳层能够有效避免电解质与电解液直接接触，降低副反应发生，从而提高了复合材料的存储性能和循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池制备领域，具体涉及一种固体电解质包覆石墨复合材料及其制备方法和应用、锂离子电池。

背景技术

随着市场对锂离子电池快充能力及续航里程增加的需求不断提升，要求锂离子电池负极材料在具有高能量密度的同时其快充性能也大幅提高。目前市场化的负极材料主要以石墨材料为主，其表面包覆材料为沥青或树脂碳化后形成的软碳或硬碳。由于该材料在充放电过程中锂离子的嵌入/脱出主要是沿材料的层间进行，存在路径长、易膨胀等问题，造成其倍率性能偏差以及材料的体积膨胀严重。

为了解决该问题，中国专利CN105529466B公开了一种预储锂的无定形碳包覆石墨复合材料，其制备步骤包括：1)将模板剂与丙烯腈单体混合，加入引发剂进行聚合反应，得到模板剂/聚丙烯腈复合材料；将石墨、乳化剂分散在水中，得到石墨混合物；2)将模板剂/聚丙烯腈复合材料加入石墨混合物中进行乳化反应，反应后加入酸液刻蚀，以除去模板剂，得到多孔聚丙烯腈/石墨复合材料；3)将多孔聚丙烯腈/石墨复合材料浸泡在含锂溶液中预先储锂，取出后干燥、裂解，得到预储锂的无定形碳包覆石墨复合材料。该复合材料具有层间距大、克容量高、吸液保液能力强等优点，且预先利用微孔储锂，能够减少锂的消耗，提高锂离子电池的比容量。然而，该专利制备的复合材料的循环性能仍有待提升。此外，中国专利申请CN107768595A公开了一种锂离子电池负极极片，在极片的负极活性层(活性材料为石墨、硅或钛酸锂)上设置有薄膜态固体电解质层(固体电解质选自Li_xPO_yN_z、Li₃N、钙钛矿、LISICON、NASICON或其改性材料)，其中薄膜态固体电解质层作为保护层，能够有效抑制锂离子与电解液之间的反应，减少电池在老化过程中的容量损失，延长电池的存储寿命和循环寿命。然而，该申请仅仅是通过负极极片改进电池的功率性能和能量密度，并未从材料自身角度提升电池的能量密度和快充功率性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体电解质包覆石墨复合材料，解决了负极材料倍率性能差、循环性能不佳的问题。

其次，本发明提供一种固体电解质包覆石墨复合材料的制备方法。

再次，本发明提供一种固体电解质包覆石墨复合材料在制备锂离子电池中的应用。

最后，本发明提供一种使用上述固体电解质包覆石墨复合材料的锂离子电池。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种固体电解质包覆石墨复合材料，所述复合材料为核壳结构，所述核壳结构的内核包含石墨，外壳由内向外依次为第一外壳层、第二外壳层，所述第一外壳层包含固体电解质，所述第二外壳层为碳层。

本发明在石墨内核与碳层之间设置包含固体电解质的中间层，是因为固体电解质为立方体结构，锂离子的嵌出通道多且结构稳定，将其包覆在石墨表面一方面可以利用固体电解质形成的人工电解质膜提高锂离子的传导速率，另一方面可以利用最外层的无定形碳层提高电子的传输速率，大幅度提高复合材料的快充性能和安全性能。

作为一种优选的实施方式，所述内核、第一外壳层、第二外壳层的厚度比为100:(5-10):(1-5)。