[发明专利]一种锂离子电池用核壳结构负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用核壳结构负极材料及其制备方法。该负极材料的制备方法包括以下步骤：将硅粉、二氧化钛、碳酸锂和分散剂混合均匀后研磨成复合浆料；将复合浆料置于反应器中高温焙烧并机械整形得到复合颗粒；将复合颗粒和石墨置于融合机中，得到负极材料前驱体；将负极材料前驱体与有机裂解碳源置于反应器中，高温烧结得到核壳结构的负极材料。本发明所述锂离子电池用核壳结构负极材料，以纳米硅、钛酸锂和石墨为内核，以有机裂解碳层为外壳，纳米硅、钛酸锂和石墨自由分布在有机裂解碳层；内部纳米硅提升比容量，钛酸锂作为缓冲硅体积膨胀的骨架支撑，石墨提高电子传输速率，有机裂解碳层保护内部材料不被浸蚀。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用核壳结构负极材料及其制备方法。

背景技术

在当今环境污染，能源紧缺的背景下，锂离子电池因其清洁无污染、高效可循环的的特质，是目前新能源汽车主要的动力电源。锂离子电池中的电极材料对电池性能有决定性的影响，其中负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。

硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(0.5V)，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难引起表面析锂，安全性能更好。然而，硅在充放电时高达300％的体积变化，使其在充放电循环中承受很大的机械作用力并逐渐粉化坍塌，与集流体失去电接触，最终导致电池失效，表现出极差的循环性能。钛酸锂是一种“零应变”材料，锂离子在钛酸锂中的脱嵌是可逆的，而且锂离子在嵌入或脱出钛酸锂的过程中，其晶型不发生变化，体积变化小于1％，从而使其具有优良的循环性能和平稳的放电电压。但钛酸锂材料理论比容量仅175mAh/g，实际使用时的比容量更低，且平台电压高等。

发明内容

为了解决上述硅和钛酸锂作为电极材料的问题，本发明提供一种锂离子电池用核壳结构负极材料及其制备方法，本发明所述锂离子电池用核壳结构负极材料，以纳米硅、钛酸锂和石墨为内核，以有机裂解碳层为外壳，纳米硅、钛酸锂和石墨自由分布在有机裂解碳层；内部纳米硅提升比容量，钛酸锂作为缓冲硅体积膨胀的骨架支撑，石墨提高电子传输速率，有机裂解碳层保护内部材料不被浸蚀。

为了实现上述的目的，本发明的技术方案如下：

本发明目的在于提供一种锂离子电池用核壳结构负极材料，所述负极材料为核壳结构，内核为纳米硅、钛酸锂和石墨，外壳有机裂解碳层，纳米硅、钛酸锂和石墨自由分布在有机裂解碳层内部；所述纳米硅的粒径为5～300nm；所述钛酸锂的粒径为50～1000nm；所述石墨的粒径为1～50um；所述有机裂解层的厚度为0.1～20μm。

进一步地，所述负极材料中：纳米硅的含量为5wt％～30wt％，钛酸锂的含量为5wt％～30wt％，石墨的含量为10wt％～70wt％，有机裂解碳层的含量为10wt％～50wt％；所述负极材料的中值粒径为1～30μm；所述负极材料的比表面积为1～30m²/g；所述负极材料的粉体压实密度为0.1～2.5g/cm³，优选0.5～2g/cm³。

本发明的另一目的在于提供上述锂离子电池用核壳结构负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将硅粉、二氧化钛、碳酸锂和分散剂按质量比例加入到有机溶剂中，混合均匀后置于高速球磨机中，在惰性气体氛围下研磨得到复合浆料；

(2)将复合浆料置于反应器中，通入惰性气体和空气的混合气体，高温焙烧，二氧化钛和碳酸锂反应生产钛酸锂，然后将反应器中的物料取出并进行粉体机械整形，得到复合颗粒；

(3)将复合颗粒和石墨置于融合机中，纳米硅和钛酸锂均相分散在石墨颗粒表面，从而得到负极材料前驱体；

(4)将负极材料前驱体与有机裂解碳源进行均相复合，然后置于反应器中，在惰性气体氛围下高温烧结得到核壳结构的负极材料。