[发明专利]一种通过磁致效应提高锂电池负极电极倍率性能的方法

说明书

本发明提出一种通过磁致效应提高锂电池负极电极倍率性能的方法，采用一维纳米负极材料负载铁磁流体与铁氧体材料，在磁场下形成定向结构，与铜集流体垂直结合，形成三维密集阵列结构的负极电极，本发明克服了传统锂电池负极材料在锂离子脱嵌过程中由于负极的各向异性生长引起的内阻过大，锂离子嵌入困难的问题，通过铁氧体材料和铁磁流体与负极通过范德华力结合，在磁场作用下使负极材料具有取向性的垂直结合在铜集流体表面，形成三维密集阵列，使材料的活性点位暴露更加充分，形成锂离子传输通道，有效提高锂离子在负极材料中的脱嵌和迁移能力，提高了电池的倍率性能，达到了通过控制负极结构而非成分达到提高负极材料电性能的目的。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种通过磁致效应提高锂电池负极电极倍率性能的方法。

背景技术

伴随着经济全球化的进程和能源需求的不断高涨，寻找新的储能装置已经成为新能源相关领域的关注热点。与镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、无记忆效应、可快速充放电、工作温度范围宽等诸多优点，被广泛用于各个领域中。

锂离子电池的关键材料之一是负极材料，负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响。最初的锂电池采用的是金属锂为负极材料，但金属锂在充放电时容易产生锂枝晶而导致起火或爆炸等安全性问题。而导致起火或爆炸等安全性问题。接着开发了锂合金材料解决了上述的安全性问题，但合金材料在嵌锂和脱锂时容易发生体积膨胀，导致循环性能下降。后来经过进一步的研究和比较，选择了石墨化的碳作为锂离子电池的商业化负极材料。石墨具有层状结构，材料容易择优取向，涂膜时石墨片通常平行于集流体方向堆积，而锂离子是垂直于集流体方向嵌入石墨负极的。所以，这种择优取向性在一定程度上会影响锂离子的扩散与传导。石墨与有机溶剂的相容性较差，易发生溶剂共嵌入，使石墨负极结构坍塌，失去嵌锂活性。与碳类负极材料相比，硅基材料因其高容量（室温理论容量 3580 mA·h/g）、低脱锂电位、低成本等优势被认为是下一代锂离子电池极具潜力的负极材料。然而硅在充放电的过程中，体积会发生剧烈的变化，材料的结构会被破坏，导致铿离子电池的容量衰减，电极循环不稳定，甚至造成电池失效。

因而锂离子电池的负极材料开发仍然是目前的科研热点。特殊构造的硅碳复合材料具有优异的力学性能和电化学性能，引起了研究者广泛关注。纳米结构材料作为锂离子电池负极材料时, 由于管径(或晶粒)为纳米级尺寸，管与管(或晶粒与晶粒)之间相互交错的缝隙也是纳米数量级，使其具有优越的嵌锂特性，锂离子不仅可嵌入到管内各管径间、管芯，而且可嵌入到管间的缝隙之中，为锂离子提供了大量的嵌入空间位置，从而有利于提高锂离子电池的充放电容量、循环寿命及电流密度。

中国发明专利申请号201210473878.8公开了一种制备碳纤维-硅纳米线负极材料的方法，先在硅片表面真空蒸镀金一层5-10纳米厚的金膜；在管式炉内通入氩/氢气混合气后置入镀金膜后的硅片上制备得到一层硅纳米线，接着利用球磨法制备碳纤维-硅纳米线复合材料，将步骤一得到的硅纳米线与碳纳米纤维按1∶1的摩尔比配制，再与聚氨酯球一起置于三维混合罐中混合，得到碳纤维-硅纳米线复合材料。中国发明专利申请号CN201611222583.8公开了一种碳纳米管/石墨烯/硅复合锂电池负极材料及其制备方法，采用石墨烯层交替硅/碳纳米管复合层的多层结构，利用石墨烯和碳纳米管的高机械性能与高导电性共同对硅粉进行三维复合，提高负极倍率以及循环性能。

尽管上述方法均不同程度地提高了负极材料的电化学性能，但然而纳米纤维具有较大的长径比，如果其没有进行有效的短切，将导致纳米纤维在活性物质中的分散性不好，从而影响其对电极材料电化学性能的改善。此外，制备过程比较复杂，制备所得材料性能优点均不明显。传统的改性工艺大多为掺杂碳纳米管、石墨烯等高导电纳米材料进而提高电化学性能，但少有针对负极结构进行改进的研究。因此，通过设计一种新型可控负极结构，对负极内部的锂离子嵌入和迁移能力的提高具有十分重要的实际意义。

发明内容