[发明专利]一种含锂复合负极材料、其制备方法和其在锂二次电池中的应用

说明书

本发明提供了一种含锂复合负极材料，包括：具有核壳结构的三维骨架材料；和复合在所述三维骨架材料核壳结构中的金属锂；所述三维骨架材料以含碳负极材料为核，所述核表面覆盖有壳层；所述壳层具有多孔碳结构，且厚度大于核的粒径。本发明提供了一种含锂复合负极材料的制备方法，以及该材料在锂二次电池中的应用。本发明制得壳层厚度大于核粒径的核壳结构颗粒材料，由该颗粒材料作为三维框架，与金属锂形成三维含锂负极材料。该含锂复合负极材料可实现嵌锂/过嵌锂和锂沉积的双重活性锂的存储，提高负极比容量，扩大锂沉积面积以促进锂的均匀沉积，减少锂枝晶产生以提升安全性，控制负极的体积变化以降低电池极化。本发明方法简单，易于放大。

技术领域

本发明涉及锂二次电池技术领域，具体涉及一种含锂复合负极材料、其制备方法和其在锂二次电池中的应用。

背景技术

近年来，电动汽车和储能行业快速发展，对以锂离子电池、钠离子电池为代表的二次电池的能量密度、成本、循环性和安全性提出了更高的要求。以锂离子电池为例，常规的锂离子电池主要采用石墨负极。然而，石墨负极的理论容量为372mAh/g，克容量相对较低，且在过充过放时容易产生锂枝晶。目前，国内主要的石墨负极生产商例如溧阳天目先导、深圳贝特瑞等公司已经实现了365mAh/g的容量，这很接近于理论容量的极限，但仍无法满足市场的需求。

为了实现更高的能量密度和功率密度，人们开始关注新型的负极材料。其中，金属锂负极被认为是第四代负极，具有最高可达3860mAh/g的容量和较低的沉积电位(-3.04V)。采用金属锂做负极，能够将电池能量密度提高到大于300wh/kg，但是金属锂负极循环过程中会产生巨大的体积膨胀，导致金属锂负极不断的产生高活性的金属锂枝晶，进一步消耗活性的锂，从而严重影响电池效率。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种含锂复合负极材料、其制备方法和其在锂二次电池中的应用，本申请提供的含锂复合负极材料可有效容纳锂在充放电过程中的绝对体积变化，减少锂枝晶产生，利于提升电池效率以及安全性。

本发明提供一种含锂复合负极材料，包括：

具有核壳结构的三维骨架材料；

和复合在所述三维骨架材料核壳结构中的金属锂；

所述三维骨架材料以含碳负极材料为核，所述核表面覆盖有壳层；所述壳层具有多孔碳结构，且厚度大于核的粒径。

优选地，所述含碳负极材料选自石墨、软碳、硬碳、硅碳和硅氧碳负极材料中的一种或多种；所述壳层形成的材料选自碳纳米管、碳纤维、石墨烯、碳微球、炭黑和科琴碳中的一种或多种。

优选地，所述核的粒径为0.5～3微米；所述壳层的比表面积为10～3000m²/g，厚度为3～20微米。

优选地，所述金属锂在含锂复合负极中的含量为1～10wt％。

与现有技术相比，本发明提供的含锂复合负极材料包括：具有核壳结构的三维骨架材料和金属锂；所述核壳结构中，核为含碳负极材料，壳层为碳素材料且具有多孔结构；所述壳层覆盖于核的表面，所述壳层的厚度大于核的粒径；所述金属锂复合在上述核壳结构中。在本发明中，作为核的含碳负极材料可发挥层间嵌入和空隙过放电储锂的双重功能。本发明可引导锂优先嵌入以及沉积在三维结构的核层位置，充分利用三维结构的内部空间。并且，本发明利用碳素材料形成的多孔结构壳层，可创造更多的锂沉积位点，同时利用金属锂在核壳结构的均匀复合，进而促进锂的均匀沉积，同时较厚的壳层可有效容纳锂在充放电过程中的绝对体积变化、降低电池极化，且对局部由于不均匀锂沉积产生的枝晶实现包裹、防止锂粉化失去电接触而形成死锂，防止枝晶进一步向隔膜方向生长导致的电池短路等重大安全隐患。

本发明提供一种含锂复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：