[发明专利]一种锂离子电池用多孔碳基单块复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极材料的制备方法及制得的复合材料，具体涉及一种锂离子电池用多孔碳基单块复合材料的制备和应用。 

  

背景技术

近年来电动汽车等新型产业技术的迅速发展，对高性能动力锂离子电池的需求也越来越迫切。目前商业化锂离子电池广泛采用的石墨类碳负极材料的理论容量较低（372 mAh g^-1），已不能满足高比能量锂离子电池的需求，因此开发能量密度高，循环寿命长的高性能负极材料已成为当前的研究重点。目前硅基、锡基、金属氧化物（氧化钴、氧化铁、氧化铜等）、复合材料等新型负极材料引起了人们的关注，这些材料都具有比传统石墨更高的理论比容量，如硅的理论比容量为4200 mAh g^-1，锡的理论比容量为990 mAh g^-1，金属氧化物，例如氧化钴、氧化铁，氧化铜的理论比容量在400-1000 mAh g^-1。但是这些金属及金属氧化物作为锂离子负极材料的循环性能较差，主要是因为活性材料在锂离子的嵌入/脱出的过程中都存在着较大的体积变化（200-300 %），随着充放电循环，活性物质之间的电接触逐渐变差。另外活性物质表面的SEI膜在循环过程中反复生长脱落，大大降低了电极材料的可逆容量和循环寿命。 

多孔碳具有较好的热稳定性和化学稳定性，较高的比表面积和电子电导，在能源存储和电化学领域得到了广泛的应用。将硅基等活性材料与多孔碳复合可以明显改善电极材料的电化学性能。这主要是因为一方面多孔碳能形成一个有效的三维导电网络，可以进一步加快锂离子的传输，提高材料的电接触；另一方面多孔碳也是一个有效的惰性基体，活性材料均匀的分散在其中，可以有效减少颗粒的团聚；此外，由于多孔碳基体结构的稳定和灵活，可以有效缓解活性材料在循环过程中由于锂离子的嵌入脱出引起的体积变化。目前中国专利的多孔碳基复合材料的制备都是分两步，第一步将制备好的多孔碳进行处理，第二步再将活性物质或活性物质的前驱体加入到多孔碳中，通过化学反应得到复合材料（专利CN201210297395.7，CN201110103839.4，CN201210001848.7）。 

  

发明内容

本发明的目的在于克服现有负极材料的缺陷，提供了一种新的制备多孔碳/活性材料的方法，通过原位合成多孔碳/活性物质，使活性物质均匀分散在多孔碳中，合成复合材料是一个具有有序孔结构的复合物单块，且复合物单块的尺寸可控。将该复合材料作为锂离子电池负极材料，可以不添加传统制备方法的粘结剂和导电剂。经过多次循环充放电测试，复合材料中活性物质的体积变化能得到有效控制，且电极结构保持完整，电化学性能优异。 

本发明的技术方案是： 

一种锂离子电池用多孔碳基单块复合材料，其特征在于：该复合材料呈单块状，其成分由多孔碳和常用的锂离子电池负极活性材料组成，碳材料和活性材料均匀的分布在该单块中；该单块的尺寸大小为5毫米到10厘米；碳的质量分数为1%-99%，活性材料的质量分数为99%-1%。

进一步的，所述锂离子电池负极活性材料包括硅、硅氧化物、锡、锡氧化物、钛酸锂、钴氧化物、铁氧化物、钼氧化物、铜氧化物、钛氧化物、镍氧化物中的任意一种。 

一种锂离子电池用多孔碳基单块复合材料的制备方法，按如下步骤进行： 

（1）将酚单体和醛单体以摩尔比1：1至1：5 加入到NaOH溶液中，NaOH的质量分数为酚单体质量的1%-5%，在70-95 oC下搅拌0.1-1小时，形成A溶液；将聚合物模板加入到水溶液中，混合搅拌1-10小时，形成均匀的聚合物溶液；将聚合物溶液加入到A溶液中，70-90 oC下搅拌1-20小时，形成B溶液；

（2）将活性材料或活性材料的前驱体加入至B溶液中，超声分散形成均匀的C溶液，将C溶液倒入高压釜中，移至烘箱中80-180 oC下保温8-24小时，得到的聚合物/活性材料单块，经过滤、蒸馏水洗涤，在空气中干燥，随后置入烧结炉中，在氮气、氩气和或氦气保护气氛下500-1200 oC高温炭化1-10小时即可获得多孔碳/活性材料单块。

进一步的，上述方法中，所述酚单体包括苯酚、对苯二酚、领苯二酚、间苯二酚中的一种或几种，醛单体包括甲醛、乙醛和苯甲醛中的一种或几种。 

进一步的，上述方法中，所述聚合物模板由P123，F127中的一种或两种组成。