[发明专利]一种内部含有三维导电结构的锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种内部含有三维导电结构的锂离子电池负极材料，特别是涉及一种采用纳米碳材料和纳米金属或金属化合物分别两次包覆纳米硅粉的锂离子电池负极材料。

背景技术

自1991年日本Sony公司将锂离子电池商品化以来，锂离子电池以其能量密度高、工作电压高、负载特性好、充电速度快、安全无污染等优点，迅速在移动电话、微型相机、掌上电脑、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用。

在锂离子电池中，负极材料的容量是影响电池容量的重要因素之一。目前，生产中主要采用石墨或改性的石墨为锂离子电池的负极材料。然而，石墨的理论嵌锂最大容量仅为372mAh/g。为了满足高比能量的锂离子电池的需要，寻找超高贮锂能力的负极材料一直是锂离子电池领域的研究热点。

目前研究的较为成功的碳负极材料有人造石墨、中间相碳微球(MCMB)、石油焦炭、碳纤维、裂解聚合物等。通常，锂在碳材料中形成的化合物的理论表达式是LiC6，按化学计量的理论比容量为372mAh/g。近年来随着对碳材料研究工作的不断深入，已经发现通过对石墨和各类碳材料进行表面改性和结构调整，或使石墨部分无序化，或在各类碳材料中形成纳米级的孔、洞和通道等结构，锂在其中的嵌入/脱嵌不但可以按化学计量LiC6进行，而且还可以有化学非计量嵌入/脱嵌，其比容量大大增加，由LiC6的理论值372mAh/g提高到700～1000mAh/g，从而使锂离子电池的比容量大大增加。

碳作为锂离子电池负极材料由于存在比容量低，首次充放电效率低，形成SEI膜，以及高温电解质分解带来的不安全等问题，人们已经开始了其它新型高比容量的非碳负极材料的研究。

硅具有4200mAh/g的理论嵌锂容量，是一类有发展前景的负极材料，但首次不可逆容量大，循环性能差，难以直接作为锂离子电池的负极材料。纳米化可以在保证嵌锂容量的前提下改善电极的循环性能，但仍然难以满足锂离子电池的要求。

发明内容

本发明采用纳米硅粉为内核，用纳米碳材料包覆纳米硅粉形成含核导电体，用纳米金属或金属氧化物对含核导电体再次包覆，经两次包覆即构成一种内部含有三维导电结构的锂离子电池负极材料硅微米粒子，并给出了该负极材料的制备方法。

其中，所述的含核导电体壳层及内核形成第一导电层，再次包覆的壳体形成第二导电层，第二导电层与第一导电层共同形成三维导电网络。

所述的纳米碳材料为天然石墨、人造石墨、纳米碳管、纳米碳微球、碳纤维中的一种或几种。

所述的纳米金属或金属化合物为纳米金属银、铜、铝、氧化镁、氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝中的一种或几种。

所述的硅微米粒子粒度为2-100um。

所述的纳米硅粉粒度为2-100nm。

一种内部含有三维导电结构的锂离子电池负极材料的制备方法，其步骤条件为：

(1)首次包覆：将重量百分比20％～60％的纳米硅粉与重量百分比40～80％的纳米碳材料同时放入纳米高温高压蒸气混合机中，蒸气温度范围为100-600℃，以高温蒸气为载体使纳米硅粉与纳米碳材料混合，同时在纳米高温高压蒸气混合机内进行搅拌，纳米高温高压蒸气混合机升温速率为每1小时升温100℃，温度升至500-1000℃，保温时间为2～10小时，搅拌速度为60～300转/分钟；纳米高温高压蒸气混合机温度降到300℃-500℃，压力为10^-5-10^-3Pa，反应1～10小时，使纳米碳材料包覆纳米硅粉；

(2)再次包覆：将步骤(1)中的包覆物与纳米金属或金属化合物按照重量百分比10％～50％∶50～90％，同时放入纳米高温高压蒸气混合机中，蒸气温度范围为100-600℃，以高温蒸气为载体使包覆物与纳米金属或金属化合物混合，同时在纳米高温高压蒸气混合机内进行搅拌，纳米高温高压蒸气混合机升温速率为每1小时升温200℃，温度升至400-1000℃，保温时间为5～20小时，搅拌速度为60～300转/分钟；反应釜温度降到400℃-800℃，压力为10^-5-10^-3Pa，反应2～20小时，对包覆物进行二次包覆。

本发明制备的锂离子电池负极材料，内部形成三维导电结构，材料应用于锂离子电池负极材料，其容量大于1500mAh/g，500次循环容量保持80％以上。

附图说明

图1是本发明内部含有三维导电结构的锂离子电池负极材料结构示意图。