[发明专利]一种负极活性材料、负极、二次电池和用电装置

说明书

本申请提供了一种负极活性材料、负极、二次电池和用电装置。一种负极活性材料，其包括铝颗粒以及包覆在所述铝颗粒至少部分表面的碳包覆层。本申请通过将碳稳定包覆在铝颗粒表面，形成核壳结构，从而使碳与铝在微观尺度上混合，这样混合均匀性更高且结构更稳定，因此用于电池能更大程度提高容量和库伦效率等循环性能。

技术领域

本申请涉及电池技术领域，尤其涉及一种负极活性材料及制备方法、负极、二次电池和用电装置。

背景技术

近年来，随着新能源汽车及储能装置的迅猛发展，对高效的电力存储器件表现出了强烈的需求。锂离子电池作为一种绿色能量存储装置，由于工作电压高，循环寿命长，无记忆效应等优点得到了业界的广泛关注。石墨作为锂离子电池传统的负极材料，理论比容量较低，难以满足市场对高能量密度的需求。金属铝由于具有较高的容量与适中的嵌锂电位，在新型负极材料候选者中脱颖而出。但铝负极在循环过程中较大的体积膨胀和不稳定的固体电解质界面膜的形成，会导致电池容量的不断降级。因此，寻找合适的方法来提高铝负极的电化学性能迫在眉睫。

发明内容

本申请是鉴于上述课题而进行的，其目的在于提供一种负极材料、负极、二次电池、电池模块、电池包和用电装置，该负极材料具有碳包覆铝的核壳结构，这两种物质混合均匀且结合稳定，能更大程度提高锂离子电池容量和循环性能。

为了达到上述目的，本申请提供了以下技术方案。

本申请的第一方面提供了一种负极活性材料，其包括铝颗粒以及包覆在所述铝颗粒至少部分表面的碳包覆层。

由此，本申请通过将碳稳定包覆在铝颗粒表面，形成核壳结构，从而使碳与铝在微观尺度上混合，这样混合均匀性更高且结构更稳定，因此用于锂离子电池能更大程度提高容量和库伦效率等循环性能。

在任意实施方式中，所述负极活性材料的D50粒径为20~80nm。将负极活性材料的粒径控制在纳米级别，可以产生表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应，进一步提高负极活性材料用于电池的容量、库伦效率和倍率性能等循环性能。

进一步地，所述负极活性材料的D50粒径为60~80nm。

进一步地，所述负极活性材料的D90粒径为75~80nm。

在任意实施方式中，所述负极活性材料中铝和碳的质量百分比分别为80%~85%、15~20%。

由于铝的嵌锂容量高于碳的，所以复合材料中铝越多，电池的电化学性能中的容量越高，但是过量不利，这是因为碳起到缓冲铝内核嵌锂时导致的体积膨胀问题，所以要有适中的比例。铝和碳的质量比在以上范围时可以达到更好的协同效果，例如容量、库伦效率等性能都有大幅提升。

进一步地，所述负极活性材料中铝和碳的质量百分比分别为81~82%、18~19%。

在任意实施方式中，所述碳包覆层的厚度为3~8nm。

负极活性材料的碳层增厚，碳含量随之增高，考虑到碳的嵌锂容量比铝低，将碳包覆层的厚度控制在3~8nm范围可以达到更好的协同效果。

在任意实施方式中，所述碳包覆层包括石墨烯。石墨烯具有优良的导电特性，能提高负极导电性。

本申请的第二方面还提供一种上文所述的负极活性材料的制备方法，其包括：

采用电弧法使碳源电离出碳原子以及使铝材蒸发成铝晶核，碳原子在铝晶核表面生长，得到所述负极活性材料。

一方面，采用电弧法一步就可得到表面包覆均匀、容量高、循环稳定性好、倍率性能优异、高安全性的碳包覆铝的负极活性材料。另一方面，电弧法通过对电流、电压及气压比进行控制，可以实现对粉体尺寸、分布、以及形貌的有效控制，且操作简单，制备效率高。