[发明专利]用于锂离子电池的含碳材料以及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电子工程，更具体地，涉及锂离子蓄电池。

如今锂离子蓄电池不仅被广泛地用作便携式电子设备的电源，也被用作为多种运输工具的电源。可再充电的锂离子蓄电池能够提供充足的电压和极优的容量，并且与其它类型的可再充电电池相比，锂离子蓄电池的特点在于具有显著突出的能量容量。

背景技术

自从上世纪80年代出现之后，首批商用锂离子蓄电池使用金属锂作为电极，但它们极不可靠且十分危险。现在通常使用锂的氧化物(LiCoO2，LiMn2O4，LiNiO2)作为阴极材料，使用材料碳(主要是石墨)作为阳极，使用LiPF6以及包含有环状和链状碳酸酯的溶剂作为电解液。锂离子蓄电池的工作原理是在电池充电时锂离子嵌入阳极，在电池工作时(放电时)析出锂，此时中性的锂原子损失能量，从而形成向阴极扩散的LI+离子。石墨阳极能可靠而安全地存储锂离子，并且其比容量的理论极限值为372mAh/g，这相当于在六个碳原子中嵌入一个锂原子，即，分子式为LiC6。高纯度的石墨(不低于99.99％)能够可靠而安全地存储锂离子(在第一周期中)，其比容量接近于理论极限值，并且在第一周期中的放电效率不低于90％。然而，现在典型的商用电池的比容量仅为250-300mAh/g。

这就是为什么对于高容量(至少要接近理论极限372mAh/g)锂离子蓄电池的需求在稳步增长，这说明需要寻找更有前途的新材料，特别是用于锂离子蓄电池的阳极的碳纳米材料。

对于锂离子蓄电池的输出性能来说，阳极起着决定性的作用，其决定着锂离子蓄电池的容量和寿命周期。所有锂离子蓄电池制造商都试图以合理的成本开发出能实质性改进蓄电池性能的碳阳极材料。

能够在第一周期中存储不少于500mAh/g的非晶态碳(amorphous forms ofcarbon)对于大尺寸电池来说是极具前途的(H.Fujimoto，N.Chinnasamy，A.Mabuchi，and T.Kasuh.-Anode Materials for Li-ion Battery.-In Proc.Electrochemical Society Meeting，2003，IMLB 12 Meeting)。但是，其在第一周期中有相当大的容量损失，这大大妨碍了将这种材料应用到供便携式电子设备所使用的小尺寸蓄电池中去。

美国专利(US No.6503660，IC H01M 10/24，公开日2003年1月1日)所揭示的锂离子蓄电池包括阴极，锂盐电解液，以及阳极，该阳极是基于不同结构的碳纳米纤维(CNFs)：所谓的薄片型(Platelet GNFs)，弹性型(Ribbon GNFs)，以及“人字形”型(Herringbone GNFs)，其结晶度不低于97％，比表面(specific surface)在20-120m2/g之间。

已知蓄电池的缺陷是其在第一放电周期中的效率低。

新型碳纳米材料，特别是结合了石墨(高结晶度)和类非晶态结构的碳(高比表面)二者的特性的碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)，其对于改进锂离子蓄电池的阳极材料是很有前途的。

由于这个原因，研究者对理论上能达到极大容量的单壁碳纳米管(SWCNTs)给予了极大的关注。

美国专利(US No.6280697，IC C01B 031/00，公开日2001年8月28日)揭示的用于锂离子蓄电池的含碳材料包含体积比至少为80％的单壁碳纳米管，并且其能够嵌入碱性金属，特别是，能够嵌入锂。

由于使用了提纯的SWCNTs，这种含碳材料能够将第一周期中阳极释放的比电容(specific electric capacity)提升至600mAh/g(其相当于嵌入分子式Li1，6C6)。然而，在用于生产材料的球形碾磨器中对提纯的SWCNTs进行机械碾磨会导致它们被碾磨球的材料(通常为不锈钢)所污染，这就需要在碾磨后再重复提纯操作。另一个缺陷是其在第一周期中放电效率低(60％)，在随后的周期中(第一周期之后)能量减少迅速，以及材料成本高，从而造成蓄电池自身成本也高。

美国专利申请(US No.20030099883，IC H01M 4/52，公开日2003年5月29日)所揭示的锂离子蓄电池包含多个电极，例如阳极和阴极，以及电解液和分离器，其中至少有一个电极是由导电材料制成的，该导电材料含有不大于1.0％质量比的单壁碳纳米管。