[发明专利]含磷锂离子电池负极材料及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种含磷锂离子电池负极材料、制备工艺及基于该负极材料的锂离子电池。所述含磷锂离子电池负极材料包括磷元素、活性组分和纳米碳纤维，具有比容量高、循环可逆性高、倍率性能优异等特征，适用于制备高能量密度的动力型锂离子电池。

技术领域

本发明涉及一种含磷锂离子电池负极材料及其制备工艺。

背景技术

锂电池按照下游应用可划分为消费型锂离子电池、动力型锂离子电池和储能型锂离子电池。随着近年来新能源领域的飞速发展，市场对于高能量密度型锂电池需求日益增长。2017年，工业和信息化部等联合印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》。该方案中明确指出，到2020年新型锂离子动力电池单体比能量超过300Wh/Kg。但是，目前商业化的锂离子电池负极材料主要为碳材料，理论比容量仅为372mAh/g，根本无法实现未来对高能量密度锂电池的需求。因此，开发新型负极材料已成为当前关注的热点。

非碳负极材料凭借较高的理论比容量(Si:4200mA·h·g^-1、Sn:994mA·h·g^-1、Ge:1600mA·h·g^-1)，成为了新型负极材料的研究热点的，为实现锂电池能力密度的稳步提升提供了曙光。但是，这一类材料在深度充放电过程中通常会引起较大的体积膨胀(150％～400％)，导致电极粉化失效，最终引起电池短路、性能衰减等问题。为解决上述问题，现有技术一般通过复合、包覆的手段来改善其性能。例如，授权号为CN103367727B的中国发明专利公开了一种纳米硅碳复合的负极材料。通过在纳米硅/石墨聚合体表面包覆有机裂解碳的方式，缓解硅纳米颗粒的体积膨胀，避免了硅颗粒破碎的现象，提高了负极材料的性能。又如，授权号为CN102903896A的中国发明专利公开了一种用于锂离子电池的硅碳复合负极材料及其制备方法，该负极材料为核壳结构。以纳米硅为核体，无定形碳为缓冲层，并利用喷雾裂解法在外层包覆一维纳米碳材料壳，中间层和最外层的碳能够最大限度的缓冲硅材料的体积膨胀，大大减弱了由于硅体积膨胀导致的负极材料的性能恶化。上述发明虽然能缓解非碳负极材料体积膨胀带来的性能恶化，但体系内活性组分含量偏低(≤10％)，对材料比容量提升有限。当进一步提升活性组分含量时(≥15％)，体积效应带来的粘结剂失效、电极腐蚀、电池短路等问题将更为凸显，现有工艺将无法有效解决。2012年，授权号为CN101527357B的中国发明专利公开了一种纳米硅无定型碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法，其通过静电纺丝的方法制备了纳米硅@碳核壳结构。该方法显著提高了材料硅的含量(10％～50％)，但采用单轴静电纺丝工艺难以将无定型碳层完全包覆硅纳米颗粒，材料的首次库伦效率低，循环性能也不理想。随后，申请公布号为CN106571451A的中国专利公布了一种采用同轴静电纺丝工艺制备的硅碳负极材料。该材料的核壳结构保持完整，库伦效率得以明显提高，循环寿命长。但同轴静电工艺复杂，纺丝过程难以控制，工业化成本高，不利于大规模推广。

因此，开发电活性物质含量高、电化学性能优异、稳定性优异且制备过程简单可控，易于规模化生产的负极材料属于该领域的技术难题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种含磷锂离子电池负极材料。

一种含磷锂离子电池负极材料，包括磷元素、活性组分和纳米碳纤维。

上述技术方案中，所述负极材料中的磷元素通过化学键与活性组分连接。

上述技术方案中，所述负极材料中的磷元素通过化学键与纳米碳纤维连接。

上述技术方案中，所述负极材料中包括P(O)-O-R结构片段，R包括碳、硅、磷、锗、锡、钒、钛元素中的任一种元素。

上述技术方案中，所述负极材料具有核壳结构，所述核中包括活性组分，所述壳中包括磷元素；所述活性组分负载于所述纳米碳纤维的外部或/和内部。

上述技术方案中，所述负极材料中的活性组分包括硅、锗、锡、钒、和钛元素中任意一种或多种。