[发明专利]一种可快速充电锂离子电池用负极材料的制备方法及其在电化学器件中的应用

说明书

本申请公开一种可快速充电锂离子电池用负极材料的制备方法及其在电化学器件中的应用。本申请中的锂离子电池负极材料为包覆处理过的硼酸铁锰材料，基于硼酸铁锰的离子掺杂化合物，以及有离子掺杂又经过包覆的硼酸铁锰材料，其主体为FeMnBO₄无机化合物；本申请制备的FeMnBO₄/C材料，其能量密度高于传统的石墨和钛酸锂负极材料，工作电压低于钛酸锂，具有高倍率快速充放电的特点，本申请公开一种具有很好应用前景的新型锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种可快速充电锂离子电池用负极材料的制备方法及其在电化学器件中的应用。

背景技术

近年来，随着化石能源如石油天然气的过度使用，给整个社会带来了严重的环境污染以及能源短缺危机。因此迫切需要一种绿色可靠的储能设备，来代替目前燃油汽车从而减少化石能源的使用。锂离子电池作为目前商业化电池能量密度最高(大于200Whkg^-1)，绿色环保以及使用寿命长的储能设备，被广泛应用于电动汽车和电子产品中。然而锂离子电池快充技术的发展却受到负极材料的严重限制，其中负极材料的发展经历了硬碳，软碳，石墨以及钛酸锂等一系新型材料，这些材料的电化学性能指标各有千秋。其中主流的负极材料主要分为：石墨，钛酸锂两类。其中石墨以及钛酸锂是目前锂离子电池广泛使用的两类负极材料。石墨作为锂离子电池负极材料具有接近372mAh g^-1的比容量，然而其较低的储锂电位(closeto0Vvs.Li/Li⁺)，导致其具有较差的倍率性以及带来了严重的安全隐患从而限制了其在快充锂离子电池中的使用。另外一种钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料具有适宜的储锂电位(1.55Vvs.Li/Li⁺),但是其比容量只有200mAhg^-1,从而严重影响了该类电池的能量密度。除了碳以及钛酸锂负极材料，近年来的研究主要集中在锡基材料，硅基材料。锡基材料的研究集中在锡的合金化以及碳与锡的复合。将单质锡与碳复合是一种最常用的改善锡负极循环性的方法。专利文献(CN200910048318.6)提出用高温化学气相沉积和还原反应得到锡-碳/核-壳纳米粒子，该结构的负极材料的可逆储锂容量可以达到700mAh/g以上。专利文献(CN201110058034.2)以介孔碳基体材料作为载体，在介孔孔道中原位生长锡纳米粒子，介孔的孔道在锂离子的脱嵌过程中可以抑制活性粒子体积的变化，从而提高锂离子电池的循环性能。对硅负极的研究主要是将硅粉与碳源材料进行球磨混合后热解，以制备硅碳复合材料。由于球磨法难以有效调控纳米硅颗粒的粒径、形貌、取向，而且很难实现纳米硅颗粒在碳载体中的单一、均匀分散，因此球磨法制备的硅碳复合材料的循环性能较差。专利文献(CN200910082897.6)提出一种纳米硅无定型碳复合锂离子电池负极材料，该负极材料颗粒是一种具有纳米尺寸的核壳结构颗粒，纳米颗粒的核为纳米硅，壳为有机物热解得到的无定型碳。最近几年，研究者通过制备硅纳米线(Candace K.Chan，Hailin Peng，Gao Liu，Yi Cui.Nat.Nanotechnol,2008,3(1)；31-35)，大幅提高了硅材料的循环稳定性，但是由于这些材料中不含导电性载体，硅可以与电解液直接接触，因此材料在大电流充放电条件下极化较大，限制了其实际应用。上述方法在一定程度上提高了材料的循环性能，但长时间的充放，仍然会导致材料结构的崩塌和电极材料的粉化、剥落现象，这就使得材料与集电体接触不良，电极的循环性能急剧下降。虽然锡基材料和硅基材料有较大的容量，但是它们的首次充放电的不可逆容量大，循环性能差，限制了其商业化。对其进行碳包覆等处理手段，工艺相对复杂，也较难大规模应用，这在另一方面限制了材料的商业化。

发明内容

解决的技术问题：