[发明专利]一种锂离子电池铝箔负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池铝箔负极材料及其制备方法，该方法将金属铝应用于单片材料体系，基于化学置换反应，采用辊压‑热处理法，将目标金属元素掺杂到铝箔复合材料中，实现铝箔的合金组分设计，并且能够在铝箔层间掺入碳元素，改善铝箔负极的储锂性能。本发明的制备方法简单可行，工艺流程简单、成本低廉，短时间可以实现大量铝箔的改性，并且反应原料能够反应完全，无用的反应产物可自行挥发。此外，改性后的铝箔材料可直接用于锂离子电池负极材料，能够有效提高铝箔负极材料的储锂性能。

技术领域

本发明涉及锂电池加工技术领域，特别涉及一种锂离子电池铝箔负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有高比能量、高倍率性能和长循环寿命、无记忆效应、高输出电压、低自放电、较宽的工作温度范围等优点，是一种重要的电化学储能技术。在提高锂离子电池能量密度、功率密度的进程，电极材料的研发一直是研究重心。由于正极材料的能量密度已经逼近理论比容量，难以通过对正极材料改性实现电池能量密度的大幅提高，因此，开发新型负极材料是显著提高锂离子电池能量密度的研究热点之一。

当前商业负极材料主要是石墨负极材料，其具有使用寿命长、价格低廉、资源丰富等特点，但是，理论比容量较低，仅有372mAh/g，不能满足市场的需求。合金化型负极材料如硅、铝、锡等通常具有较高的理论比容量，有望成为下一代商业负极材料。硅是目前研究较多的负极材料之一，硅碳负极已经得到小规模商业化应用。硅的理论比容量达4200mAh/g(Li_4.4Si)，并且硅的工作电压约为0.4V，非常符合市场的需求，但是，硅存在巨大的体积膨胀(Li_4.4Si～360％)，导致活性物质脱离以及SEI膜的不断形成，最终造成储锂性能急剧下降。

作为合金化型负极材料的一种，金属铝具有稳定的电压平台(嵌锂平台～0.25V及脱锂平台～0.48V)且高的理论比容量(993mAh/g～LiAl)，同时具有高导电性、成本低廉、环境友好等优点，因此，铝基负极材料具有很大的发展潜力。但是，金属铝负极在脱嵌锂过程容易出现失效，导致其电化学性能急剧恶化。关于铝基负极材料的失效机理，学界没有统一的认识，但也取得一些进展：(1)嵌锂过程中所产生较大的晶格应变能阻碍了锂铝合金相变，并阻碍了畸变基体中的锂扩散过程；(2)金属铝表面的氧化层阻碍了锂离子和电子之间的耦合反应，并且氧化铝会不可逆地消耗锂离子形成Li-Al-O玻璃体；(3)基于双向扩散过程控制导致部分锂离子陷在活性材料内部，而无法脱离出去；(4)反复的体积膨胀导致较差的电极结构稳定性，导致电解液不断还原分解，SEI膜不断增厚。针对上述失效机理制定的铝基材料改性策略主要集中在两个方向，一是纳米结构构筑，二是合金组分设计。纳米结构构筑能够有效克服因体积膨胀而引起的电极材料粉碎破坏的现象，从而获得具有优异电化学性能的纳米铝基材料仍然较为困难。采用自上而下的合成方法(如机械球磨法)制备纳米铝基材料较为简单，从工业生产的角度考虑具有可行性，但是金属铝本身具有低的莫氏硬度，难以获得目标尺度的纳米铝基材料。采用自下而上的合成方法(如等离子体化学气相沉积法、液相还原法等)制备纳米铝基材料，能够实现原位合成纳米铝基材料，但是需要复杂严苛的合成技术，无法匹配当前工艺生产技术。另外，金属铝极强的还原性对合成过程中的氧、水环境因素要求更为苛刻，在纳米化过程中，金属铝容易形成氧化层，高比表面积的氧化层导致纳米铝表面导电性急剧下降，阻碍锂离子与电子的耦合反应，不利于纳米铝储锂性能的提高。合金组分设计主要目的是将活性组分(例如硅、锡、锑等)或非活性组分(例如铜、铁、镍等)引入金属铝体相中，能够实现开发具有特定合金相组成的大尺寸铝箔电极材料，提高锂离子电池的能量密度。引入活性组分能够破坏铝基材料的晶体结构，提升其机械稳定性。引入非活性组分能够有效提高铝基材料的导电性，并且缓解铝基材料在充放电过程中的应力变化。但是，合金组分设计的实现途径目前较为局限，以磁控溅射法为主，其制备成本较高，不利于商业化应用。