[发明专利]一种锂电池负极材料制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，更具体地，涉及一种锂电池负极材料的制备方法及其产品。

背景技术

锂离子电池以其电压高、比能量高、循环寿命长、无记忆效应等优点，已经广泛应用于军事和民用电子设备中，如移动电话、笔记本电脑、照相机等。虽然大容量的锂离子电池也正在向电动汽车、电动工具领域扩展，然而目前的锂离子电池还不具备电动汽车领域所需要的高功率和长使用寿命。对于锂电池而言，其电极材料的性质是决定锂电池性能好坏的关键因素。目前商品化的锂电池负极材料主要是碳材料，但是其较低的比容量和比能量不能满足日益增长的对锂电池高能量密度、高功率的要求。

过渡金属氧化物如Co₃O₄、Fe₃O₄、NiO等，以其较高的比容量引起了研究者的极大兴趣。例如，CN102280635A中公开了一种采用表面活性剂来制备微米级Co₃O₄-C复合材料的方法，该复合材料呈颗粒状，并且每个颗粒包含多个叠置的展开的半球层，电池性能测试表明这种复合材料具有较高的放电比容量和倍率性能。此外，CN10187689A中公开了一种锂离子电池电极材料及其制备方法，其中采用聚合物为模板剂，通过控制合成温度、烧结时间、聚合物模板的粒径大小，从而制得可适用于锂电池电极的亚微米级材料。

然而，进一步的研究表明，上述制备方法的仍然存在以下的缺陷或不足：首先，由于在材料制备过程中需要加入表面活性剂或模板剂，不仅操作过程繁琐，难以控制，而且增加了材料的制备成本；其次，按照上述工艺方法，所制得的材料呈微米或者亚微米级别，颗粒相对较大，不利于锂离子的快速扩散，从而影响电池在实际运行中的性能和寿命。因此，在在相关领域亟需寻找新的锂电池负极制备方法及其替换结构，以符合日益增长的对锂电池高能量密度、高功率的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种锂电池负极材料的制备方法及其产品，其中通过采取过渡金属氧化物纳米化的方式并对其制备工艺进行研究和改进，可以以工艺简单、成本低、便于质量控制地获得适用于锂电池的负极材料产品，并且所制得的锂电池具备容量高、循环性能好等特点。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于制备锂电池负极材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）以水、醇或醇水混合物为溶剂，将选自Co₃O₄、Fe₃O₄、NiO或其掺杂化合物中至少一种材料的金属前驱体溶解其中，由此获得前驱体溶液；

（b）向所获得的前驱体溶液中加入碳，其中碳与前驱体溶液中金属离子的质量比控制为4:1～1:4，然后执行浓缩处理直至获得呈浆状的混合物；

（c）将步骤（b）所获得的浆状混合物执行烘焙干燥和研磨，然后进行还原反应，由此获得碳载金属材料的纳米颗粒；

（d）对步骤（c）所获得的纳米颗粒执行加热氧化处理，由此获得所需的锂电池电极材料。

过渡金属氧化物如Co₃O₄、Fe₃O₄、NiO等虽然具备较高的比容量，但在锂的脱嵌过程中体积变化较大，容易导致较高的不可逆容量损失，再加上过渡金属氧化物自身导电性较差，会使得电极材料的比容量降低，并且循环性能变劣。通过以上构思，能够以工艺简单、便于质量控制的方式获得纳米化的碳载金属材料，从而有效弥补以上不足；尤其是，所制得的碳载金属材料呈现中空结构的特殊形貌，在充放电过程中体积变化较小，并具备较大的比表面积，使其与电解液的接触面积较大而且减小了锂离子和电子的扩散路径，从而能够提供较大的比容量及改善循环特性。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述的金属前驱体为金属氯化物或者硝酸盐。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述的金属前驱体的浓度被控制为10mg/mL～100mg/mL，所述醇选自甲醇、乙醇或丙醇中的至少一种。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，通过超声分散和加热搅拌交替的方式，来执行浓缩处理直至获得呈浆状的混合物。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，在40～100度的温度条件下对所述浆状混合物执行烘焙干燥处理，并将其研磨成粉末状。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，所述还原反应在氢气气氛中进行，其还原温度范围为300～1000℃，还原时间为2～10小时。