[发明专利]一种锂离子电池用高能量密度与高功率密度负极材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池用高能量密度与高功率密度负极材料，所述负极材料为“猕猴桃”结构，所述“猕猴桃”芯为软碳基体，所述“猕猴桃”籽为均匀分散在软碳基体表面的纳米硅材料，所述“猕猴桃”果肉为均匀分散在软碳基体及纳米硅表面的碳纳米管，所述“猕猴桃”外皮为导电碳包覆层。同时，本发明提供了上述负极材料的制备方法。本发明制备的复合负极材料具有协同作用，能有效弥补软碳的低压实密度以及硅的循环膨胀问题。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，特别是锂离子电池用高能量密度与高功率密度复合负极材料。

背景技术

随着全球性石油资源紧缺与气候环境的不断恶化，发展清洁节能的新能源汽车受到世界各国的高度重视。新能源汽车的发展，关键在其动力电源。目前，商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但它的理论比容量仅为372mAh/g，并且功率密度较低，无法满足未来锂离子电池对高能量密度与高功率密度的需求。所以开发高性能新型电极材料成为研究重点，软碳类负极材料因具有不规则乱层结构，故其快速充放电性能、循环性能以及安全性能优异，但软碳能量密度较低。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，硅成为锂离子电池碳基负极换代的富有潜力的选择之一，但硅的功率密度较低。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足，提供一种锂离子电池用高能量密度与高功率密度负极材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种锂离子电池用高能量密度与高功率密度负极材料，所述高能量密度与高功率密度负极材料为“猕猴桃”结构，所述“猕猴桃”结构包括“猕猴桃”芯、“猕猴桃”籽、“猕猴桃”果肉和“猕猴桃”外皮，所述“猕猴桃”芯为软碳基体，所述“猕猴桃”籽为均匀分散在软碳基体表面的纳米硅材料，所述“猕猴桃”果肉为均匀分散在软碳基体及纳米硅表面的碳纳米管，所述“猕猴桃”外皮为导电碳包覆层。

进一步的，所述软碳基体为2500℃以上可石墨化的非晶态碳材料，粒径为4-9μm。所述软碳基体为石油焦、针状焦、碳纤维和非石墨化中间相碳微球中的1种或至少2种的组合。

进一步的，所述纳米硅材料为多晶硅、单晶硅、非晶硅，优选为，单分散的单晶硅或多晶硅颗粒；优选的，所述纳米硅材料的中粒径为10~100nm。

进一步的，所述碳纳米管为单壁或多壁，管径5-50nm,长度100nm-5μm；

进一步的，所述导电碳包覆层为裂解碳材料。优选的，所述裂解碳为有机物裂解碳，优选为沥青、糖类和高分子材料中的1种或至少2种的组合，进一步优选为沥青、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯腈、聚环氧乙烷中的1种或至少两种的组合。

一种锂离子电池用高能量密度与高功率密度负极材料的制备方法，包括以下步骤：

A1、纳米硅表面修饰：

将硅烷偶联剂加入醇系纳米硅浆液的烧瓶中进行混合，所述硅烷偶联剂与醇系纳米硅浆液的混合质量比为1:5~1:50，然后放入超声波清洗器中进行超声2-10h，超声频率调节为30-120kHz，最后得到均匀分散于醇系体系中的纳米硅溶液；在纳米硅表面形成表面改性层，以便在第二步与碳纳米管复合；

优选的，所述醇系纳米硅浆液中的醇系介质为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、1,2-丙二醇、丙三醇、正丁醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、正戊醇和2-己醇中的1种或多种的组合。

优选的，所述硅烷偶联剂加入量为2.0~8.0%（质量百分比），所述硅烷偶联剂为氨丙基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅、甲基丙烯酰氧基硅烷，优选为氨丙基三甲氧基硅烷。