[发明专利]一种锂离子电池复合型负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种锂离子电池复合型负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

自上世纪九十年代起，在众多的能源替代产品中，锂离子电池以较高的能量密度、良好的循环性能、无记忆效应等特点受到人们的密切关注。随着低碳经济的方兴未艾，锂离子电池正朝着动力汽车和电网储能等方向积极发展，因此，开发能量密度高、循环寿命长的锂离子电池已成为业界研究的重点。

目前商业化的锂离子电池大多采用碳系材料作为负极，但碳系负极材料存在很多缺陷，例如，首次充放电形成固体电解质界面膜（SEI）造成不可逆容量损失，循环性能不足，存在高温失效风险和安全风险等，这些问题使得碳系材料已经无法满足储能电池的需求。还有部分锂离子电池采用合金材料作为负极材料，合金材料虽然具有很高的比容量，但是合金材料体积膨胀大，循环性能差，无法满足市场化应用的需求。

另外，也有采用硫或硫化物（如NiS，FeS₂，FeS，TiS₂）材料作为负极储锂电极材料的锂电池，这些材料嵌锂容量高，如NiS和FeS₂的嵌锂容量为600mAh/g左右，但这些材料循环性能较差，原因是在充放电过程中，硫化物活性物质易发生团聚使得其循环性能降低，且硫化物活性物质易与电解液反应而分解，导致可逆容量减少，因此无法满足储能电池的高循环性能要求。

发明内容

鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种锂离子电池复合型负极材料，以解决硫化物负极材料易团聚、易与电解液反应而分解，从而导致电池具有较低的耐久性和循环性能的问题。本发明实施例第二方面提供了一种锂离子电池复合型负极材料的制备方法。本发明实施例第三方面提供了一种锂离子电池。

第一方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池复合型负极材料，包括过渡金属硫化物，以及设置在所述过渡金属硫化物表面的包覆层，所述过渡金属硫化物为NiS、FeS₂、FeS、TiS₂、MoS和Co₉S₈中的一种或多种，所述包覆层的材料包括钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂。

与现有技术相比，本发明提供的锂离子电池复合型负极材料由过渡金属硫化物，以及设置在过渡金属硫化物表面的包覆层组成，其中，过渡金属硫化物选自NiS（硫化镍）、FeS₂（二硫化铁）、FeS（硫化亚铁）、TiS₂（二硫化钛）、MoS（硫化钼）和Co₉S₈（硫化钴）中的一种或多种。这些过渡金属硫化物的嵌锂容量高，如NiS和FeS₂的嵌锂容量为600mAh/g左右，因而能使锂离子电池复合型负极材料具有较高的容量。

包覆层的材料包括钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂，具有以下几大优势：（1）钛酸锂为“零应变”电极材料，根据S.Schamer等人的研究结果(J.of electrochemical society,146(3),1999,857,861)，立方尖晶石结构的钛酸锂在锂离子嵌入－脱嵌过程中，晶格参数最大从8.3595缩小到8.3538，晶格常数变化很小，体积变化很小，保持了高度的结构稳定性，因此具有优异的循环性能；（2）钛酸锂具有三维锂离子通道，其锂离子扩散系数比碳系负极材料大一个数量级，可提高锂电池的倍率性能；（3）钛酸锂的平衡电位约1.55V，可有效避免金属锂沉积，提高了锂离子电池的安全性能，同时由于嵌锂电位高，没有达到SEI膜形成电位，电解液在钛酸锂表面基本不发生还原分解，有利于维持电解液的稳定，提高循环性能。但是钛酸锂比容量低，利用其制作的电池，能量密度较低，同时钛酸锂材料价格较贵，严重影响了钛酸锂为负极的电池的商业化使用。