[发明专利]一种锂离子电池负极材料用核壳结构碳及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是一种锂离子电池负极材料用核壳结构碳及其制备方法。

背景技术

从1994年至今，对锂离子电池负极材料的研究，主要集中在碳材料、合金材料和复合材料等方面。碳材料是最早为人们研究并实现商品化的锂离子电池负极材料，至今仍是大家关注和研究的重点之一。天然石墨和人造石墨是应用最为广泛的碳基负极材料。通过对可石墨化碳如石油焦等采取掺杂、结构调整或表面修饰并经高温石墨化处理等方法制得的人工石墨，比容量可以达到330～350mAh·g^-1，同时具有良好的循环性能和较低的价格，然而功率性能较差。硬碳材料是一种难石墨化的碳材料，通常经由高分子材料在惰性气氛中热解而成。作为锂离子电池负极，硬碳材料具有较高的比容量和较好的功率性能，而且与电解液相容性较好，可以在碳酸丙烯醋(PC)有机电解液体系中正常工作。

本项目组采用沸石为模板制备了具有规则结构的硬碳材料，其结构有序、孔径大小可调(专利号：20081005347.5)。将这种材料用作锂离子电池负极，锂离子在其中有较高的扩散系数，脱嵌反应高度可逆，同时还具有良好的导电性和化学稳定性。这种材料的微观结构具有两个特点：一是“发达的孔隙结构”，这些孔隙结构提供了大量的储锂空间，使其具有较大的能量密度；二是“规则的孔道结构”，有利于Li⁺扩散，锂离子快速可逆地嵌入脱嵌，因此提高了其功率特性。所以，该结构的硬碳作为负极材料同时具有高功率和高容量特性。然而，由于其比表面积较大，该材料首次库伦效率较低，并且与集流体粘结性较差，限制了其在锂离子电池工业中的大规模应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的之一在于提供了一种锂离子电池负极材料用核壳结构碳；该核壳结构碳材料不仅提供了大的储锂空间和锂离子运动的通道，提高了材料的能量密度和功率密度，而且保证了这种材料具有较好的库仑效率和循环性能。

本发明的目的之二在于提供了上述锂离子电池负极材料用核壳结构碳的制备方法。

本发明的目的之三在于提供了以核壳结构碳为负极材料的的锂离子电池；该电池具有良好的高容量高功率特性和较高的首次充放电库伦效率。

本发明的目的之四在于提供了以核壳结构碳为负极材料的的锂离子电池的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池负极材料用核壳结构碳，包括硬碳材料；所述述硬碳材料为“核”，在其表面包覆软碳前驱体并进行炭化处理后形成作为“壳”的软碳；所述硬碳材料与软碳前驱体质量比为1∶0.01～0.3；

所述软碳前驱体为煤焦油沥青、石油沥青、中间相沥青中的一种或几种混合物。

锂离子电池负极材料用核壳结构碳的制备方法，制备方法如下：

先按硬碳材料与软碳前驱体质量比为1∶0.01～0.3的量称取两种材料；

然后采用机械混合的方式将二者充分混合；

接着将软碳前驱体包覆在硬碳“核”的表面，在惰性气氛中经过高温处理，软碳前驱体炭化后在硬碳“核”表面形成较薄的致密软碳“壳”，得到用于锂离子电池负极材料用的核壳结构碳。

其中，所述惰性气氛中高温处理的温度为700℃～1500℃。

所述机械混合的方式为球磨、搅拌或超声分散中的一种或几种方式的配合使用。

以核壳结构碳为负极材料的的锂离子电池，包括电池壳、电极板、电解液和隔膜，所述电极板包括正极电极板和负极电极板；所述正极电极板由含锂活性物质压制在集流体上制成，所述负极电极板由核壳结构碳压制在集流体上制成。

其中，所述的含锂活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂或镍钴锰酸锂中的一种或几种复合物。

所述的电解液为六氟磷酸锂电解液或其它锂离子电池工业中使用的电解液。

以核壳结构碳为负极材料的的锂离子电池的制备方法，包括如下制备步骤：

步骤一、取核壳结构碳材料和粘结剂在反应器中进行混合，所述核壳结构碳材料与粘结剂之间的质量比值为1∶0.01～0.2；

步骤二、往反应器中滴加N-甲基-2-吡咯烷酮或无水乙醇，将上述混合物混合均匀成浆状；

步骤三、将步骤二中的浆状混合物烘至半干时，先将其均匀压制在集流体上，制得极片，然后将极片在真空干燥箱中烘干，真空干燥箱中的温度控制在50℃～150℃，制得锂离子电池负极；