[发明专利]负极材料及其制备方法、负极极片及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用负极材料及其制备方法，还涉及一种包含上述负极材料的负极极片以及应用该负极极片的锂离子电池。

背景技术

人类使用的能源主要来自于矿物能源。但伴随矿物能源的衰竭及燃烧矿物能源造成对环境的污染问题，为了人类的可持续发展，提出低碳环保可持续发展的战略。低碳环保、绿色能源与可持续发展是当今世界的重要议题，特别是清洁能源的开发再利用更是与人类的生存发展密不可分。自上个世纪90年代锂离子电池实现了商品化以来，锂离子电池技术得到了快速的发展，到了新世纪锂离子电池技术已从手机、摄像机、小型电子产品的应用向新能源开发利用的战略地位转移，安全可靠的锂离子电池将取代传统能源很快在混合动力车(HEVs)和电动汽车(EVs)上得到应用，还可能连接到太阳能电池和风能储能系统搭建智能电网系统，这将促使锂离子电池技术向更高更好的新阶段发展。锂离子电池可转换及储存具有不连续性、不稳定性的可再生能源，将是超越动力自动化系统提供储能的最有效方法，是理想的绿色环保可再生能源。

锂离子电池完成转换及储存的部分即正负电极。正极材料由可逆嵌脱锂的锂矿原料制得，负极一般为可层状嵌锂的石墨材料。随着锂离子电池向电动汽车、可再生能源储能系统等大型应用领域发展，锂离子电池的能量密度、功率密度等性能指标需要进一步提高。在负极材料方面，传统的石墨碳负极材料的比容量有限，已经难以满足高能量密度电池的需求。以Si基材料为代表的新型高比容量负极材料受到了人们的广泛关注。其中，SiO_x材料在发挥高比容量的同时，具有相比纯Si更小的体积变化，因而在循环寿命方面更具实用潜力。

硅的导电性差，但SiO_x材料的电子导电性差，离子扩散速度慢，高倍率充放电阻抗大，实际比容量衰减快等问题制约了其进一步的发展和应用。为提高硅负极电池的低温性能、高倍率充放电性能、充放电循环等电性能，拓宽其在电动汽车领域的应用范围，研究者们对硅负极主材进行了改性处理。

针对上述问题，一方面，国内外学者及科学家就硅材料纳米化角度进行了改进，诸如硅纳米线的合成。但该合成工艺仍长期停留在中试阶段，且工艺复杂，纳米线生长管控困难，无法批量生产，造成科研成果无法应用于实际生产。另一方面，负极材料生产厂商从材料结构设计及粒径分布入手，如采用气相碳包覆、掺杂金属元素、控制硅颗粒尺寸等方法以试图提高电池的性能，在活性颗粒外部包覆碳材料可解决本体导电性差的问题，但仍无法解决活性颗粒膨胀后，保持膨胀颗粒间导电网络的有效连接。虽然上述两种方式从某种程度上改善了电池的电化学性能，但并无法转化为实际大批量生产服务的改进措施，所以效果并不显著且实施困难。

电池性能的提高与电池内部导电网络的完整性相关性极强，首先电子由外电路经过箔材传输到涂覆层，在经由导电网络把电子输送到活性颗粒表面参与脱嵌锂反应。正负极活性材料嵌脱锂的程度与速度与电子传输的快慢及通道长度直接相关。因此有必要提出一种可以综合改善硅负极电导率膨胀后死区电子导通的导电剂方案。针对Si基负极，首先要改善负极箔材与敷料间的接触电阻，降低极化。进一步的，提高敷料与箔材间的剥离强度，改善循环后负极膨胀掉料问题。其次需要在Si基负极敷料层内搭建更有效的导电网络解决负极活性颗粒间电子传输的问题。由于在硅负极嵌脱锂过程中的合金化-去合金化过程中，体积膨胀较常规石墨大数倍，膨胀后负极材料内部导电网络的完整性有所破坏，造成死区的形成。死区由于丧失导电桥梁，无法再次嵌脱锂，直接影响电池容量发挥及电池一致性的优劣。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种包含硅氧材料以及低维碳导电材料的锂离子电池用负极材料，该锂离子电池用负极材料解决了由于硅氧负极活性材料电导率低以及使用过程中由于膨胀作用从而丧失了有效电子通道造成的容量衰减、内阻上升的问题，同时提升了应用该负极材料的锂离子电池的循环性能。本发明中锂离子电池用负极材料分散性能好，其组成中导电剂添加量低，不仅降低了成本而且有利于提升电池的能量密度，利用本发明中负极材料制成的负极极片的锂离子电池具有较低的直流内阻、循环性能比现有锂离子电池更加稳定。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供了一种锂离子电池负极材料，其组分及组分质量份数为：

活性材料 88-105份

单壁碳纳米管 0.01-0.1份

石墨烯纳米带 0.01-0.5份