[发明专利]一种高电容量锂电碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高电容量锂电碳负极材料及其制备方法和应用，所述锂电碳负极材料为导电纤维碳材料，所述制备方法包括：将有机纤维置于保护气氛中，先在300～800℃下预烧结，再于500～1200℃下碳化处理后降至室温，得到所述导电纤维碳材料；所述碳化处理的温度＞预烧结的温度；所述有机纤维为聚丙烯腈基纤维、粘胶纤维、沥青纤维中的至少一种，优选为氨纶、涤纶、维纶、芳纶、聚苯并咪唑PBI纤维、聚酰亚胺PI纤维中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种锂电池负极电极材料及其制备方法和应用，具体涉及一种锂电碳负极材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池电极材料技术领域。

背景技术

20世纪90年代初，索尼公司推出第一代商业化锂离子电池(C/LiCoO₂)至今，18650型锂离子电池的容量由1200增至2200～2600mAh，正极材料的组成和容量未发生太大变化，电池容量的增长主要来自负极材料的贡献。

现阶段，商业化锂离子电池负极材料以碳素材料为主，其比容量高(200～400mAh·g^-1)，电极电位低(＜1.0V vs Li⁺/Li)，循环性能好(1000周以上)，循环性能稳定。根据结晶程度的不同，碳素材料可以分为石墨材料与无定形碳材料两大类。其中，石墨材料因其导电性好，结晶度高，层状结构稳定，适合锂的嵌入-脱嵌等特点，成为理想的锂电负极材料，人造石墨和天然石墨是两种主要的石墨材料。而无定形碳材料即无固定结晶形状的碳材料，主要包括软碳和硬碳。硅基材料、过渡金属氧化物和硫化物以及一些合金材料等非炭类的负极材料，由于具有较高的理论容量，也受到许多研究者的关注。但这些非炭类材料在实际的应用中普遍存在着两大问题：一、循环稳定性差：锂离子嵌入这类材料时，形成合金化过程中会产生巨大的体积膨胀(～400％)，锂离子反复插入/脱嵌易使材料的晶体结构粉化团聚，最终引发电化学性能的衰减；二、电池高倍率性能偏差：一般金属氧化物本身是电的不良导体，制备电极的过程中需要加入大量的导剂，当充放电电流密度增大，不能形成离子和电子的快速传输通道，电化学性能也会快速衰减。所以，在非炭类负极材料的开发研究主要围绕在如何改善它们的电导性，抑制锂离子合金化过程中产生的体积变化，以及防止材料结构粉化坍塌和团聚等方面。

有关锂离子电池负极材料的商业化开发研究重点在于如何提高首次充放电库伦效率、增加质量与体积比容量、延长循环寿命和降低成本等方面。目前，商业化锂离子电池采用的负极材料几乎都是炭材料，包括人造/天然石墨、石油焦、中间相碳微球(MCMB)等。炭材料作为负极材料具有较低的电极电位、嵌入/脱出锂的能力好，循环稳定性佳等优点。但是，它的最大的缺陷是容量偏低，理论比容量仅有372m Ah g-1，实际使用时容量仅在200mAh g-1左右，显然已经不能满足现代锂离子电池高容量高倍率性能要求。

因此，现有技术对于炭基材料的研究主要集中在提高它的储锂容量和大倍率性能。而且，在众多特殊形貌中，纤维状碳结构能有效增大材料的比表面积从而充分利用活性物质，同时可以缩短锂离子在材料内部的迁移路径提高材料的倍率性能，因此近几年是材料领域中的一大研究热点。但是现有采用有机纤维烧结得到的碳材料存在首效低，稳定性差等问题，其比容量也低于理论值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高容量的锂电碳负极材料及其制备方法和应用，以提高锂电池的比容量、循环稳定性等电化学性能。

一方面，本发明提供了一种锂电碳负极材料的制备方法，所述锂电碳负极材料为导电纤维碳材料，所述制备方法包括：将有机纤维置于保护气氛中，先在300～600℃下预烧结，再于500～1200℃下碳化处理后降至室温，得到所述导电纤维碳材料；所述碳化处理的温度＞预烧结的温度；所述有机纤维为聚丙烯腈基纤维、粘胶纤维、沥青纤维中的至少一种，优选为氨纶、涤纶、维纶、芳纶、聚苯并咪唑PBI纤维、聚酰亚胺PI纤维中的至少一种。