[发明专利]锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种新型的绿色化学电源，与传统的镍镉电池、镍氢电池 相比具有电压高、寿命长、能量密度大的优点。自1990年日本索尼公司推 出第一代锂离子电池后，它已经得到迅速发展并广泛用于各种便携式设备。

锂离子电池一般是由两个可逆地嵌入与脱嵌锂离子的材料作为正、负极 构成的二次电池。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放 电时反之。因此，锂离子电池的性能特点与其负极有密切的关系。锂离子电 池负极包括集电体和负极材料，而负极材料是具有可逆嵌入与脱嵌锂离子的 材料，故，锂离子电池的负极材料是影响锂离子电池性能的关键材料之一。 传统的锂离子电池的负极材料通常采用碳系材料或金属类材料。

现有的碳系材料为人造石墨或天然石墨等石墨化碳系材料。这些材料虽 然具有循环性能好、脱嵌锂过程中体积变化小等优点，但它们表面碳原子具 有大量的不饱和键，在首次充电时电解液会在它们表面分解，并形成 SEI(Solid Electrolyte Interface)膜，使它们存在首次可逆量较小、储锂能力较 低等缺点。为了克服碳系材料储锂能力较低、首次可逆量较小等问题，郑永 平等人于2008年8月20日公告的、公告号为CN100413127C，标题为“一 种核壳结构的碳质锂离子电池负极材料及其制备方法”的大陆专利中揭示了 一种碳系负极材料，该碳系负极材料由核部分和壳部分组成，核部分为石墨， 该石墨是由石墨层间化合物脱插后得到的；壳部分为不定形碳，该不定形碳 是由有机物热解后得到的。该碳系负极材料虽然可以降低首次不可逆量，提 高储锂能力；但由于其制备方法和热处理温度对该材料的组成和结构有较大 的影响，进而引起锂离子嵌入行为与性能的差异，而且其可逆储锂容量仍较 低。

与碳系材料相比，金属类的负极材料则具有较高的储锂容量。其中锡就 是一种比容量较大的储锂材料，比容量在1000mAh/g以上。一般采用电镀法 将金属锡单质直接镀在集电体上制得电池负极，其中锡单质在嵌锂过程中可 以与锂反应形成锂合金。但在充放电过程中锡电极体积变化较大，高达 300％，因此在锂的反复可逆嵌入和脱出过程中，锡粒子易发生粉化，结构受 到破坏，因而循环性能较差。而且，随着循环次数的增加，锡电极存储容量 下降较快。这些缺点限制了以锡作为负极材料在锂离子电池中的应用。

为解决碳系材料可逆储锂容量仍较低及金属类负极材料循环性能差、存 储容量下降较快，进一步提高锂离子电池负极储锂能力等问题，人们将碳与 金属材料进行复合。利用碳在脱嵌锂过程中的小的体积膨胀来缓冲金属在该 过程中剧烈的体积膨胀，同时利用碳骨架来分散金属颗粒，抑制金属颗粒的 团聚，减缓金属存储容量下降，从而提高锂离子电池负极的储锂能力。

为此，复旦大学的夏永姚等人于2008年6月18日公开的，公开号为 CN101202341A的大陆专利申请中揭示了一种锂离子电池电极材料及其制备 方法。所述锂离子电池电极材料为碳包覆合金纳米级粒子的电极材料。该电 极材料的本体为纳米级合金材料。通过乳液聚合方法将酚醛树脂均匀地包覆 合金纳米级粒子形成核壳结构，最后在惰性气氛下，高温煅烧碳化得到碳包 覆合金纳米级粒子。在该碳包覆的合金纳米级粒子中，所述纳米级合金粒子 被具有良好导电性和一定膨胀收缩性的碳均匀牢固地包裹，因此在循环过程 中可以缓冲体积膨胀同时保证了整体电极的导电性。该碳包覆合金纳米级粒 子材料作为锂离子电池负极材料可以得到安全性能及循环性能优良的锂离 子电池负极材料。但，该电极材料在碳化过程中使用的碳化温度为600℃至 900℃，所需温度比较高，能耗大；且由于合金储锂容量有限使得该电极材 料的储锂容量仍较低。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种新的锂离子电池负极材料及其制备方法， 以解决锂离子电池储锂能力较低的问题。

本发明提供一种锂离子电池负极材料，包括多个纳米级粒子以及包覆该 多个纳米级粒子的包覆材料，其中，所述包覆材料包括碳元素和氧元素。

本发明还提供一种上述锂离子电池负极材料的制备方法，包括：提供一 含有纳米级粒子的溶液；将一有机物加入上述含有纳米级粒子的溶液中，得 到一有机物包覆纳米级粒子的材料；以及在300℃到600℃时，碳化上述有机 物包覆纳米级粒子的材料，从而得到一锂离子电池负极材料。