[发明专利]基于转换反应的微米颗粒高容量锂离子电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及基于转换反应的微米颗粒高容量锂离子电池负极材料及其制备方法和应用，所述锂离子电池负极材料为钼氧化物和碳的复合物，化学式为MoO_x/C，x=2～3，其中MoO_x的含量为60～90 wt%。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，特别涉及基于转换反应的微米颗粒高容量锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

电动汽车市场和精密电子设备市场的迅速发展，造成了对高能量密度二次电池需求的不断提升。在大力发展“绿色”科技的趋势下，能量密度高、环境友好、循环寿命长的锂离子电池已经广泛应用于手机、笔记本电脑等便携式电子产品中，并且被认为是电动汽车的最佳储能设备。锂离子电池的能量密度很大程度上受限于负极材料的比容量。因此，寻找具有高比容量的负极材料具有重要意义。

基于嵌入反应的锂离子电池负极材料，例如，石墨、Li₄Ti₅O₁₂、Nb₂O₅，展示出良好的倍率性能和循环寿命，但是由于只能实现单电子(或更少电子)转移，它们的比容量通常低于300mAh/g。基于转化反应或合金化反应的锂离子电池负极材料的比容量能够超过1000mAh/g，但这两类负极材料都有电导率低和体积膨胀大的问题。纳米结构的构建能增加电极材料表面的反应缺陷，减缓电极材料的相变和体积膨胀，但其合成过程复杂，同时极大地降低了电极的振实密度。转换型和合金型锂离子电池负极材料在循环过程中体积演化，会使电极材料从集流体上剥离，从而造成电池循环寿命的损失和不可逆的容量衰减。

在电极材料中加入过量的导电碳(如多壁碳纳米管MWCNTs、石墨烯等)或者使用高粘弹性的胶黏剂的方法，通常被用来解决电极破裂及剥离的问题。然而加入的导电剂和粘结剂的电化学活性通常较低，进而在一定程度上降低了电极材料的能量密度。因此，开发具有内生导电网络或粘结剂结构的大颗粒高容量负极材料是十分必要的。在微米颗粒中造孔似乎是一种增强颗粒完整性的方法，但调节孔的大小和空间分布极大地增加了合成难度。在弹性导电骨架中挤出活性物质颗粒似乎是一种既能提升活性物质电导率又不会破坏电极完整性的方法，然而，高比例的非活性导电网络似乎是不可避免的。金属有机框架(MOFs)是制备高性能转化负极材料的良好前驱体，但是，在热解过程中它们的产物通常遭受严重的内部蚀刻而稀释活性物质或形成松散聚集的纳米颗粒。

当进行转换反应时，二氧化钼(MoO₂)能实现四电子转移，具有很高的理论比容量(838mAh/g)，大于石墨负极理论比容量(372mAh/g)的两倍，且其密度更高(6.5g·cm^-3)，因此二氧化钼负极材料具有更大的体积比容量。但是，二氧化钼作为锂离子电池负极材料，在循环过程中也会经历较为严重的体积变化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于转换反应的大颗粒高容量锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种基于转换反应的微米颗粒高容量锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料为钼氧化物和碳的复合物，化学式为MoO_x/C，x＝2～3，其中MoO_x的含量为60～90wt％。此时，所得锂离子电池负极材料实质上为MoO_x/C复合材料。

较佳地，所述锂离子电池负极材料中还包含多壁碳纳米管MWCNTs，含量为5～15wt％。此时，所得锂离子电池负极材料实质上为MoO_x/C/MWCNTs复合材料。

较佳地，所述锂离子电池负极材料的粒径为1～200μm。

较佳地，所述锂离子电池负极材料的振实密度为1～2g/cm₃。

另一方面，本发明还提供了一种如上述的锂离子电池负极材料的制备方法，包括：