[发明专利]一种金属锂碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种金属锂碳复合材料，包括碳的球形或类球形载体以及形成于所述碳的球形或类球形载体孔隙中的金属锂，碳的球形或类球形载体由局部石墨化的纳米基碳材料团聚而成。本发明还公开了上述金属锂碳复合材料的制备方法，包括将纳米导电碳材料、表面活性剂、可溶性过渡金属盐溶解于水中后喷雾干燥得到前驱体；将前驱体碳化处理得到碳球；将碳球酸洗后水洗至中性后与金属锂在氩气气氛下共融，得到金属锂基复合负极材料。本发明的局部石墨化的金属锂碳复合材料，在电池的充放电过程中，有序的、分布均匀的石墨化的部位引导金属锂的沉积更加均匀，从而减少锂枝晶的产生，增长金属锂负极的循环寿命。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料，尤其涉及一种金属锂碳复合材料及其制备方法。

背景技术

储能技术在当今社会中的重要性越来越突出，光能、风能、潮汐能等清洁能源的大规模存储、大规模电网调峰、交通运输、便携设备、特种作业等领域越来越离不开储能技术的应用。其中，锂离子电池体系因具有较高的能量密度、较长的循环寿命、灵活的结构设计等优点而大规模应用于交通运输和便携设备中。传统的以磷酸铁锂、三元材料等为正极，以石墨类材料作为负极的锂离子电池体系质量能量密度已接近理论极限，能量密度的提升速度已经无法适应社会需求的增长。国家在《中国制造2025》白皮书中明确提出到2020年，我国动力电池要达到能量密度300wh/kg，2025年达到400wh/kg，2030年达到500wh/kg。为提高能质量能量密度，必须革命性的更改电池的体系结构。锂离子电池中以金属锂基材料为负极不仅可以充分发挥含锂正极材料的容量，还可以使用不含锂的高容量正极，如硫、硫碳复合等材料。并且，金属锂基材料负极可以明显减轻负极质量，从而提高电池的整体质量能量密度。

然而在现有技术中的锂离子电池体系中直接使用金属锂作为负极会因金属锂离子的无规则沉积产生锂枝晶，大大缩短金属锂负极的循环寿命，降低电池的安全性能。

现有技术中也有使用喷雾干燥法制备一种骨架碳球与金属锂熔融后获得金属锂碳复合负极材料，但由于其对金属锂的沉积没有进行控制和引导，使得锂的沉积无序，锂的分布不够均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属锂有序沉积、分布均匀的金属锂碳复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种金属锂碳复合材料，包括碳的球形或类球形载体以及形成于所述碳的球形或类球形载体孔隙中的金属锂，所述碳的球形或类球形载体由纳米基碳材料团聚而成，所述纳米基碳材料局部石墨化。

本发明还提供一种金属锂碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将纳米导电碳材料、高分子表面活性剂、可溶性过渡金属盐溶解于水中，然后喷雾干燥得到前驱体；

步骤二：将所述前驱体碳化处理得到碳球；

步骤三：将所述碳球酸洗后水洗至中性；

步骤四：将所述碳球与金属锂在氩气气氛下共融，得到金属锂碳复合材料。

在本发明中，将过渡金属可溶盐溶于水后均匀添加在纳米碳材料中形成前驱体，所述前驱体在碳化处理时，过渡金属盐被碳还原成过渡金属单质，该过渡金属单质在进一步继续碳化时，作为碳石墨化的催化剂，从而使纳米基碳材料在具有过渡金属的部位石墨化。由于可溶性过渡金属盐在纳米碳材料中的有序和均匀分布，使得石墨化的部位分布也相对有序和均匀。

在电池的充放电过程中，由于石墨化碳的嵌锂电位高于金属锂，所以金属锂首先在分布均匀的石墨化碳的表面沉积，从而有效的引导了金属锂沉积更加均匀，减少了锂枝晶的产生。

优选地，所述碳化处理为在氮气气氛中加热至500－1000℃并保温1－12h；更优选所述碳化处理为在氮气气氛中加热至800℃并保温6h。