[发明专利]一种纳米复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纳米复合负极材料及其制备方法与应用，其中，所述方法包括步骤：将具有锂离子插嵌活性的纳米颗粒与沥青质在溶剂中混合，通过选择和控制溶剂特性驱动沥青质在所述纳米颗粒表面吸附并形成包覆层，得到复合材料前驱体；在惰性气氛下对所述复合材料前驱体进行加热处理，制得所述纳米复合负极材料。本发明提供的纳米复合负极材料的制备方法具有原料来源广、合成路径简单、合成规模可放大等优点，所述复合负极材料包括由沥青质吸附在所述纳米颗粒表面形成的包覆层，所述包覆层经高温处理后具有机械强度高、离子传导性能好等优点，该纳米复合负极材料具有能量密度高，循环稳定性好等一系列高效锂电池负极所需性能。

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种纳米复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着世界各国逐年严格的碳排放标准，新能源汽车的普及已是不可逆转的趋势。新能源汽车对于续航、充放电速率、电池寿命和安全性等性能指标要求日益提高，而目前的锂离子电池的性能还远远满足不了未来需求。未来锂离子电池负电极材料需要具备更快的电子传输性能，更大的锂离子储存容量，更高效的锂离子扩散率，以及更好的充放电循环稳定性。具有这类性质的新型材料对于下一代新型电池的研发和广泛应用至关重要。

目前主流的商业化锂离子电池常采用锂化过渡金属氧化物作为正极，石墨作为电池负极。石墨负极材料具有热稳定性高、化学稳定性好、导电性好、锂离子入嵌和脱嵌效率高、成本低廉等一系列卓越的特性。然而，其最大理论容量仅为372mAh·g^-1，极大限制了单组份石墨负极电池的能量密度。在所有研究过的负极材料中，一些材料具备比石墨更高的理论容量，如氧化亚硅的理论容量可达到1600mAh·g^-1，硅的理论能量密度可达4200mAh·g^-1，远高于石墨的能量密度。但是这些材料作为负极材料的劣势在于其在锂化过程中常伴随着巨大的体积膨胀。以硅为例，在完全锂化状态下，该膨胀率可以达到近400％。如此高的膨胀率对于硅的内部结构产生巨大的应力，在多次充放电过程中，硅材料容易发生粉化，进而造成负极材料的能量密度随着充放电循环次数大幅降低。活性材料界面上的固体电解质(SEI)会在材料膨胀过程中发生破裂，新暴露的活性表面会与电解液持续反应，造成电解液大量消耗，同时SEI膜过度生长，也会使得锂离子扩散受到影响，进一步加剧容量降低。

研究发现，用Si-C复合材料做锂离子电池负极材料，硅作为活性物质可提供高的储电容量，而碳作为包覆相或者骨架可以有效地减少硅之间的聚合，并在充放电过程中缓冲硅的体积变化，同时碳的良好导电性可以改善硅材料的电子传导性能，因此将碳-硅复合材料作为锂离子电池负极材料前景诱人，这也使得Si-C复合负极材料体系成为当前负极材料研究的热点。