[发明专利]磷/碳复合材料及其制备方法和锂离子电池、钠离子电池

说明书

本发明提供一种磷/碳复合材料及其制备方法。以所述磷/碳复合材料质量100％计，所述磷/碳复合材料含有如下组分：红磷10～90％；碳材料10～90％；其中，所述碳/磷复合材料中，部分红磷和碳材料形成磷‑碳化学键。本发明提供的磷/碳复合材料中，部分红磷和碳材料以磷‑碳化学键的方式存在，极大的提高磷/碳复合材料的结合力，避免磷从碳材料表面脱落，因此，用于锂离子电池或者钠离子电池中时，可以有效的提高锂离子电池或者钠离子电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于碳复合材料技术领域，具体涉及一种磷/碳复合材料及其制备方法和锂离子电池、钠离子电池。

背景技术

作为储能器件的锂离子电池和钠离子电池，相对于传统的电池如铅酸蓄电池而言具有能量密度高、充放电速率快、循环次数超长等优点。正因为如此，锂离子电池已经被广泛应用于各种电子设备如手机、笔记本电脑等。锂离子电池也被用作电动汽车的电源以及用于大规模存储电能的储能装置。钠离子电池相比于锂离子电池而言，其制造成本更低，因此也更加适用于大规模的储能设备中。为提高锂离子电池和钠离子电池的容量，需要开发具有大容量的负极活性材料。

常见的负极活性材料为碳类、硅、硅碳等，碳类负极活性材料由于其容量受限，已经越来越无法满足电池技术发展的需求，而硅、硅碳材料虽然有很高的容量，不过由于硅、硅碳材料在电池充放电时，体积膨胀率非常大，极易导致电池容量的快速衰减，因此，有必要开发容量更大、性能更加优异的电池负极材料。

磷元素与锂原子或钠原子反应能够形成Li₃P或Na₃P化合物，使得电池可以获得高达2596mAh/g的理论比容量，同时，磷具有较低的充放电平台，如磷在锂离子电池中的充、放电平台电压分别为0.45V和0.9V，在钠离子电池中的充、放电平台电压分别为0.3V和0.65V，因此磷与锂形成的化合物或者与钠形成的化合物适合作为电池的负极材料。固态的磷具有三种常见的形态，即白磷、黑磷和红磷。白磷具有四方分子结构，其燃点(30℃)较低而且不稳定，不适合用作负极材料；黑鳞的晶体结构为正交晶型，电子电导(~100S/m)，稳定性较高，可以作为负极材料，不过由于其制备条件苛刻，制备成本高，一般很少直接使用其作为负极材料。红磷电子电导率相对黑鳞低，但是其成本低廉，比较适合作为负极材料。为提高红磷的导电性，一般对红磷进行改性，如申请号为201610216544.0的发明专利申请公开一种含磷负极复合材料及其制备方法以及锂离子电池，具体地，含磷负极复合材料包括红磷、导电碳单质以及单质硅以及一氧化硅中的至少一种，其制备方法是直接将红磷、导电碳单质、单质硅及一氧化硅中的至少一种进行混合。这种混合属于机械混合，并不能克服单质硅以及红磷在锂离子或钠离子脱嵌过程中因体积膨胀而导致磷从碳基体上脱落的问题。申请号为201210043044.3的发明专利公开一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：提供红磷以及多孔导电碳材料，将红磷以及多孔导电碳材料置于一密闭容器中，且所述红磷以及多孔导电碳材料间隔设置，加热该密闭容器，使得红磷升华，冷却该密闭容器，使得升华的红磷冷凝吸附于多孔导电碳材料中形成磷复合材料。这种方法获得的红磷与多孔导电碳材料的连接关系仍然为全部的物理接触，仅仅是物理吸附，仍然无法解决在脱嵌过程中发生的脱落问题。

发明内容

针对目前磷碳复合材料中磷、碳仅仅为物理接触，用做锂离子电池、钠离子电池等电池负极材料时存在容易发生脱落而导致电池容量快速衰减等问题，本发明提供一种磷/碳复合材料及其制备方法。

进一步地，本发明还提供其在锂离子电池或钠离子电池中的应用。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种磷/碳复合材料，以所述磷/碳复合材料质量为100%计，所述磷/碳复合材料含有质量百分含量的如下组分：

红磷 10~90%；

碳材料 10~90%；

其中，所述碳/磷复合材料中，部分红磷和碳材料形成磷-碳化学键。