[发明专利]锂电池用多元掺杂碳负极活性材料、负电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是一种锂电池用多元掺杂碳负极活性材料、负电极及其制备方法。

背景技术

电子信息时代对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量以及循环寿命长、安全性能好等特点，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。虽然使用碳电极的小型可充电锂离子电池已经商业化，并得到广泛应用，但是，如何进一步提高比能量、比功率(放电电流)、循环寿命、降低成本等问题仍然丞待解决。而最近全球环保宣言要求高能量、高功率、高安全性的长寿命锂离子电池在不久的将来更多地应用于大型蓄电池及电动汽车等领域，这无疑对锂离子电极材料提出了更高要求。

锂离子电池性能强烈地依赖于电极材料，特别是负极材料，目前研究工作主要集中在碳材料和具有特殊结构的其它金属氧化物。石墨、软碳、中相碳微球已在国内外有较多的开发和研究，硬碳、碳纳米管、巴基球C60等多种纳米结构碳材料正在被研究中(J.Power Sources 2004，136，334.)。研究人员认为今后的研究将更多集中于更小的纳米尺度的嵌锂微结构。石墨基碳材料目前被普遍应用于电池负极，但这种材料存在如下无法避免的缺点：工艺复杂、低能量密度以及循环性能不佳等。而制备高纯度和规整的微结构碳负极材料是发展的一个重要方向，将具有特殊交联结构的树脂在高温下分解得到的硬碳，可逆电容量比石墨碳高，如美国MIT的M J Matthews报道PPP-700(一种聚对苯撑乙烯的热解产物)储锂容量可达1170mA·h/g。但这种碳材料的结构受原料影响较大，但一般文献认为这些碳结构中的纳米微孔对其嵌锂容量有较大影响，对其研究主要集中于利用特殊分子结构的高聚物来制备含更多纳米级微孔的碳(Nat.Mater.2005，4，366)。

碳气凝胶(Carbon Aerogel)是一种孔隙率高、比表面积大、结构人工可控的新型纳米多孔网络结构材料，为离子的注入与退出提供了顺畅通道，而且极大地提高了锂离子的容量，也有利于使锂离子电池向更轻质更小型化方向发展。另外，碳气凝胶的碳网络基干通常是无定形碳与石墨相微晶碳的混合结构，这种结构使锂离子可嵌在微晶石墨结构中，以及碳纳米结构的层、边端、表面等位置，增加了嵌锂容量，同时丰富的孔洞可使电解质渗透到气凝胶纳米多孔网络中，与碳气凝胶纳米骨架充分接触，提高接触面积，能够显著提高锂离子电池的能量密度、快速充/放电等性能，从而有望促进高性能、大容量、循环耐用的快速充/放电锂离子电池等器件的研制和开发。但是，无定形的碳气凝胶充放电没有明显的平台，并且有较高的不可逆容量，因此，目前还很难将碳气凝胶用于锂离子电池电极材料上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锂电池用多元掺杂碳负极活性材料、负电极及其制备方法，使用多元掺杂碳负极活性材料来代替传统的石墨基负极材料，解决了传统锂电池的低能量密度、循环性能不佳等问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种锂电池用多元掺杂碳负极活性材料，其构成组分及其组分重量百分比为：纳米多孔碳气凝胶5％～30％，石墨50％～90％，超导碳黑1％～5％，粘结剂聚偏氟乙烯3％～10％。

而且，所述的纳米多孔碳气凝胶是以间苯二酚和甲醛为前驱体反应物，碳酸钠溶液为催化剂，经温度处理、溶剂替换、常压干燥、高温炭化、气体活化而制得。

而且，所述的间苯二酚与碳酸钠溶液的摩尔比为100～2000，催化剂溶液的质量分数为10％～60％。

而且，所述的纳米多孔碳气凝胶的孔径为2nm～200nm，比表面积为400m²/g～3500m²/g，电阻率小于或等于0.3Ω·cm。

一种使用多元掺杂碳负极活性材料的锂电池负电极，包括活性物质集流体、活性物质、隔膜、电解质、有机溶剂和参比电极，所述的活性物质为权利要求1至4任一项所述的多元掺杂碳负极活性材料，活性物质集流体为铜片，隔膜为Celgard2500微孔隔膜，电解质为六氟磷酸锂，有机溶剂为EC∶EMC＝1∶1(体积比)，参比电极为金属锂片。

一种使用多元掺杂碳负极活性材料的锂电池负电极的制备方法，包括：将多元掺杂碳负极活性材料碾磨成粉末并使用200目筛子过滤，将粉末和粘结剂聚偏二氟乙烯按90∶10的比例混合，加入到溶剂1-甲基-2-吡咯烷酮中混合搅拌均匀，均匀涂抹在铜片上，干燥后即得到锂电池负电极。