[发明专利]一种锂离子电池负极及其应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池负极，包括金属集流体、导电剂、粘合剂、负极活性物质，所述负极活性物质为纳米颗粒/层状碳/纤维状碳/碳复合材料。本发明还公开了所述锂离子电池负极的应用。本发明以纳米颗粒/层状碳/纤维状碳/碳复合材料作为负极活性物质可有效提高锂离子电池的循环性能、比容量和倍率性能。试验证明，本发明锂离子电池在室温下，在200mA/g(质量按负极活性物质的质量计算，下同)的电流密度进行充放电循环20圈后，放电容量保持在1303mAh/g左右，容量保持率高达93.1％，其循环性能优异。本发明制备工艺简单，易操作，便于大量生产。

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极及其应用。

背景技术

锂离子电池由于具有能量比高、质量轻、额定电压高、自放电率低等优点而被学术界和产业界广泛研究和应用。与其他电池体系一样，锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四大关键材料构成，材料的性能直接影响着锂离子电池的性能。

目前，正极材料主要包括过渡金属氧化物材料(LiCoO₂、LiNiO₂和LiMn₂O₄等)、磷酸铁锂材料和三元镍钴锰材料等。负极材料主要包括锂嵌入型材料、锂合金材料和锂金属等。但随着社会的进一步发展，如电动汽车在动力源方面的要求，现有的锂离子电池体系在价格、安全性、比容量和功率性能、原材料的富足等方面都还有待提高。开发更高性能的材料和与之对应的锂离子电池极为重要。

硅负极具有高的能量密度、丰富的自然资源，是十分理想的下一代锂离子电池负极材料，成为了该领域研究热点。与常规石墨负极材料相比，硅负极的质量比容量约为4200mAh/g，是层状石墨(372mAh/g)的十倍左右。因此硅有望成为下一代高能量密度储能材料和汽车动力装置的锂离子电池的负极。

然而硅负极材料的商业化应用也受到了几个方面的挑战。首先自身的电导率较低，是典型的半导体材料。其次在充放电过程中，锂离子的嵌入和脱出会使材料的体积发生大于300％的膨胀与收缩，产生的应力会使材料逐渐粉化，造成电极活性物质与集流体脱离从而丧失电接触，最终导致电池容量迅速衰减，循环性能大大降低。

为了解决或改善硅负极材料的缺陷，人们进行了大量的科学研究。其研究主要集中在硅材料尺寸结构效应、硅/碳复合材料等，这些研究都已取得了相应的成效，使得硅负极材料的电化学性能得到了相应的改善。但是这些研究的方法都比较复杂，难以大规模推广和应用。如何使其电池性能改善和提高，同时方法简单易操作、能大规模合成和应用的研究极其重要。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种锂离子电池负极及其应用，本发明含有负极活性物质的负极可有效提高锂离子电池的循环性能、比容量和倍率性能。

本发明提出了一种锂离子电池负极，包括金属集流体、导电剂、粘合剂、负极活性物质，其特征在于，所述负极活性物质为纳米颗粒/层状碳/纤维状碳/碳复合材料。

优选地，所述纳米颗粒/层状碳/纤维状碳/碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：向纳米颗粒、层状碳、纤维状碳的混合物中加入溶剂和球磨珠进行球磨，干燥，然后加入碳源混合均匀，在惰性气体的保护下高温煅烧，碳化后，即得。

优选地，所述层状碳选自膨胀石墨(EG)、鳞片石墨中的至少一种。

优选地，所述纤维状碳选自多壁碳纳米管(MWNTS)、单壁碳纳米管(SWNTS)、气相生长碳纤维(VGCF)中的至少一种。

优选地，纤维状碳选用多壁碳纳米管(MWNTS)。

优选地，所述纳米颗粒选自纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、纳米炭黑、纳米硅、纳米锡、纳米金属氧化物、纳米磷酸铁锂中的一种。

优选地，所述纳米颗粒经过分散处理，粒径为100-200nm。