[发明专利]一种用于锂离子电池的负极材料及制备方法

说明书

技术领域

 本发明属锂离子电池技术领域，提供了一种用于锂离子电池的负极材料及其制备方法。

背景技术

能源是人类文明发展和进步的基础，近20年，人类社会对能源的需求呈指数型增加。化石能源的枯竭和化石能源直接使用所带来的环境污染问题，促使人们积极研究和探索新的能源形式。在各种绿色能源技术中，风能和太阳能是广受人们关注的可再生能源，但由于风能和太阳能发电存在的不稳定性，使得风电和太阳能电不能直接并入电网。要使其得以应用，需要性能良好的储能装置，二次电池便是优秀的储能形式之一。同时，便携式电子设备的迅猛发展、以及节能环保型电动汽车的迅速发展，也对储能设备提出了更高层次的要求，希望储能设备具有容量高、质量轻、寿命长、价格低廉等特点。在各种储能电池中，锂离子电池由于能量密度高、放电电压平稳、循环寿命长、无污染等优点而成为二次电池市场的佼佼者。目前已占领便携式电子设备电源的主要市场，并正向电动汽车电源和储能电源方向发展。

电动汽车、储能电源以及便携式电子设备对二次电池比容量、安全性提出了越来越高的要求，而锂离子电池的性能主要取决于组成电池的正负极材料。目前商业化锂离子电池中的负极材料是石墨类材料，石墨的理论储锂容量为372 mAh/g，目前商业化石墨类负极材料已经可以做到330-340 mAh/g，非常接近其理论比容量，因而进一步研究提高其比容量的空间非常有限，限制了高比容量锂离子电池的发展。同时，石墨材料的嵌锂电位与金属锂的沉积电位非常接近，在大电流充放电时易产生锂枝晶，从而引起安全问题。因而要发展高比容量、高安全性锂离子电池，就必须研究开发新的锂离子电池负极材料。

Sn基材料是一种非常有吸引力的高比容量锂离子电池负极候选材料。Sn具有很高的储锂理论比容量：990 mAh/g [W.J. Zhang. Journal of Power Sources, 2011, 196: 13–24]。同时Sn基负极材料的脱嵌锂电位较高，避免了在大电流充放电时负极侧锂枝晶的产生，可以提高电池的安全性。虽然Sn基材料的性能优越，但Sn基负极材料在充放电过程中的性能衰减，阻碍Sn基负极材料的实际应用。造成性能衰减的主要原因是Sn在脱嵌锂过程中伴随较大的体积变化，该变化易导致Sn基负极材料颗粒的粉化、开裂，进而导致电极容量下降、电极失效。解决这一问题的方法之一是制备Sn基合金 [A R. Kamali, D J. Fray. Reviews on Advanced Materials Science, 2011, 27: 14-24]，使Sn与另一相非活性或活性较弱的元素结合，形成合金，在Sn脱嵌锂过程中，第二相元素可以起到缓冲体积膨胀的作用，防止电极活性物质的开裂，提高电极的工作稳定性。目前报道的Sn基合金负极材料有Sn-Sb [C. Park, H. Sohn, Electrochimica Acta, 2009, 54: 6367-6373]、Sn-Co [M.Y. Li, C.L. Liu, M.R. Shi, W.S. Dong, Electrochimica Acta, 2011, 56: 3023-3028]、Sn-Ni [Z.P. Xia, Y. Lin, Z.Q. Li, Materials Characterization, 2008, 59: 1324-1328]、Sn-Cu [W. Cui, F. Wang, J. Wang, H. Liu, C. Wang, Y. Xia, Journal of Power Sources, 2011, 196: 3633-3639]等等。但Sn基合金负极材料目前的电化学性能距离实际应用还有一定的距离。其原因在于，要么两相都是活性元素，在脱嵌锂过程中体积变化较大（如Sn-Sb体系）；要么Sn与第二相金属的键强较强，降低了材料的储锂能力（如Sn-Cu体系）；要么很难合成纯的、高Sn含量的金属间化合物（如Sn-Co、Sn-Ni体系），大颗粒单质Sn的不均匀存在，易引起电极循环过程中的结构破坏，导致电极性能衰减。因而需要继续探索比容量高、循环性能良好的新型Sn基负极材料。                     

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于锂离子电池的负极材料及其制备方法，采用简单的工艺过程合成InSn/C复合材料，该材料具有良好的电化学性能，尤其是具有比碳负极材料高得多的比容量。