[发明专利]用于锂离子电池的复合负极材料和锂离子电池

说明书

本发明公开了用于锂离子电池的复合负极材料和锂离子电池。其中，复合负极材料包括：硅/碳纳米管复合纤维布和碳层，所述硅/碳纳米管复合纤维布包括硅/碳纳米管复合丝束；所述碳层形成在所述硅/碳纳米管复合纤维布的至少一部分表面。该用于锂离子电池的复合负极材料由硅/碳纳米管复合丝束编织并包覆碳层制成，可直接用作锂离子电池负极，具有优异的能量密度和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言，本发明涉及用于锂离子电池的复合负极材料和锂离子电池。

背景技术

随着电子设备、电动汽车对锂离子电池能量密度和循环周期的要求越来越高，高性能的锂离子电池的研发日益重要，其中负极材料比容量的提高能使电池能量密度有较大幅度的提升。

硅具有高达4200mA·h/g的嵌锂比容量，其嵌锂电位低、具有良好的嵌入/脱出可逆性，成为最有应用前景的一类新型高效锂离子电池负极材料。但是，在脱嵌锂过程中，硅基材料的体积变化超过300％，不仅会破坏电池结构还极易导致负极材料从集流体上脱落，导致电池的循环稳定性较差。而且硅材料的本征导电率很低，硅的添加会增加电池的极化内阻。针对此类问题，目前业界主要采用纳米化、复合化以及设计多级多孔结构等方式来对其进行改性，但效果并不理想，普遍存在制备工艺复杂，复合材料结合力松散，包覆不均匀、不完全，难以实现放大和商业化。为了缓解硅材料的体积效应，这些工艺添加了大量非活性物质，很大程度上抵消了硅材料的高容量优势。可见，现有的硅材料锂电池负极仍有待进一步研究。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出用于锂离子电池的复合负极材料和锂离子电池。该用于锂离子电池的复合负极材料由硅/碳纳米管复合丝束编织并包覆碳层制成，可直接用作锂离子电池负极，具有优异的能量密度和循环稳定性。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于锂离子电池的复合负极材料。根据本发明的实施例，该复合负极材料包括：硅/碳纳米管复合纤维布和碳层，所述硅/碳纳米管复合纤维布包括硅/碳纳米管复合丝束；所述碳层形成在所述硅/碳纳米管复合纤维布的至少一部分表面。

根据本发明实施例的复合负极材料，其硅/碳纳米管复合纤维布由硅/碳纳米管复合丝束编织而成，从而可以有效地对其中的Si进行固定，避免负极掉料的问题，提高复合负极材料所制成的电池的循环稳定性。硅/碳纳米管复合纤维布表面包覆的碳层可以保证材料表面无Si露点，避免应用中Si与电解液直接接触引发副反应。本发明的硅/碳纳米管复合纤维布呈纤维布状，经切割至适宜的形状后可直接制作锂离子电池负极，省去了集流体、粘结剂等材料的使用以及相应的合浆、涂布、干燥等常规工序，可在提升活性材料利用空间、提高电池能量密度、节省电池材料成本的同时，显著降低生产过程成本。另外，纤维布状的复合负极材料可以根据需要切割为任意形状，且具有良好的柔性，适于异形电池的开发和应用。

另外，根据本发明上述实施例的复合负极材料还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述硅/碳纳米管复合丝束由硅纳米线和碳纳米管(CNTs)通过纺丝处理制备得到，所述硅/碳纳米管复合纤维布由所述硅/碳纳米管复合丝束编织得到。

在本发明的一些实施例中，所述硅纳米线的直径为1～200nm，长度为0.5～300μm；所述碳纳米管的直径为1～100nm，长度为1～300μm。

在本发明的一些实施例中，所述硅纳米线呈束状。

在本发明的一些实施例中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管。

在本发明的一些实施例中，所述硅/碳纳米管复合丝束中包含原丝1024～10240根。

在本发明的一些实施例中，所述硅纳米线占所述复合负极材料总质量的0.1wt％～70wt％。