[发明专利]锂离子二次电池负极材料、制备方法及用于组装二次电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池的技术领域，具体涉及一种高能量密度的锂离子二次电池负极材料，该负极材料的制备方法，以及以该负极材料用于组装锂离子二次电池。

背景技术

自锂离子二次电池问世以来，一直受到了世界范围内的广泛关注，其以高电压、高电容量、使用寿命长、与环境友好和无记忆效应等优点，在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业和医学方面等诸多领域内展现了广阔的前景和巨大的经济效益。

自上世纪90年代，锂离子电池作为一种新兴的能源储备方式，被大家广泛关注。其中，以石墨及其改性材料为负极，LiCoO₂材料为正极的锂离子二次电池技术获得了巨大的成功，并被广泛应用于移动电话，笔记本电脑，数码产品，电动工具(4C)等为代表的便携式设备中。和金属锂相比，石墨材料负极尽管在安全性上得到了很大的提升，但作为一种负极材料，其可逆比容量只有370mAh/g左右，仍有很大的提升空间。因此寻找到一种具有更高能量密度的锂离子二次电池材料，可以使便携设备更加小型化，更加高比能量化。这样可以使锂离子二次电池作为电动汽车和混合动力汽车的动力电源，并在军事，航空航天等诸多领域得到更加广泛的应用。

与此同时，V₂O₅作为一种价格低，能量密度高的正极材料为大家所关注。和传统的LiCoO₂正极材料相比，它的比容量更高、价格低、更加环境友好，其结构稳定性差的缺点也可以通过掺杂少量的Cu得以克服。但以钒氧化物(V₂O₅)作为锂离子二次电池正极材料，必须寻找一种含锂且能量密度同时较高的负极材料与之匹配。而锂金属氮化物Li_3-xM_xN(Co，N_i，Cu)系列材料可以满足要求。其中，Li_2.6Co_0.4N材料以与石墨相当的密度，接近石墨材料的两倍的比容量最受关注。此外，Y.Liu等人还报道用Cu取代部分的Co得到可以进一步提升Li_2.6Co_0.4N电化学循环稳定性。该研究人员得到的Li_2.6Co_0.2Cu_0.2N材料，放电比容量在500～600mAh/g，本专利所述材料Li_2.6Co_0.25Cu_0.15N的放电比容量可达600～630mAh/g，其实际应用潜力更大。由于并未有关于此类材料与钒氧化物组成全电池的报道，这成为进一步研究的方向。

因此，本发明采用新型Li_2.6Co_0.25Cu_0.15N作负极，与经过改性处理的V₂O₅正极材料搭配，设计具有高比容量，高能量密度的锂离子二次电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的锂离子电池负极材料Li_2.6Co_0.25Cu_0.15N，该负极材料的制备方法，及一种新的高能量密度锂离子二次电池的正负极组合方案。

是以Li_2.6Co_0.25Cu_0.15N作为负极材料，Cu_0.04V₂O₅作为正极材料进行组合，构成的锂离子二次电池首次充放电比容量可达260mAh/g，比能量可达505mWh/g。

本发明的锂离子二次电池负极材料的分子式为Li_2.6Co_0.25Cu_0.15N，其空间群为P6/mmm，属于六方晶系。其晶胞参数为，。该材料为六方层状结构，由一个N原子被6个Li原子包围组成正六边形结构，Li(1)原子在六边形的顶点位置，N原子在六边形中心，构成晶格中的AB面。其中，AB面层内的Li原子称为Li(1)原子。在C方向上，则是由层间的Li(2)原子与层内的N原子形成一维的Li(2)-N-Li(2)-N链。有研究证明，Co，Cu等金属的掺杂取代完全是Li(2)位置的Li原子。