[发明专利]一种高性能兼顾快充石墨锂离子电池负极及其制备方法

说明书

本发明公开一种高性能兼顾快充石墨锂离子电池负极及其制备方法，通过插层剂和氧化剂与石墨的反应得到插层化合物，而插层化合物经过烧结、脱插引入的缺陷结构能够为石墨提供额外的储锂空间，并缓解石墨的体积膨胀，提高石墨负极的比容量以及循环和倍率性能。无定形Al₂O₃的包覆能够改善石墨与电解液的浸润性，从而提高其倍率性能。纳米硅铆合在石墨和无定形Al₂O₃之间能够弥补Al₂O₃的引入对石墨负极容量的降低，同时纳米硅在充放电时引起的体积变化能够被脱插后的石墨中的缺陷结构所缓解，从而得到一种高性能兼顾快充石墨锂离子电池负极。

技术领域

本发明涉及负极材料领域技术，尤其是指一种一种高性能兼顾快充石墨锂离子电池负极及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，人类对自然资源的消耗和对生态环境的破坏引起了世界各国的广泛关注。锂离子电池技术的迅速发展开启了崭新的新能源时代，但是传统的锂离子电池石墨负极已经越来越难满足社会发展的需求，所以开发高安全性能、高能量密度、良好循环性能兼顾快充的锂离子电池负极材料迫在眉睫。传统的石墨负极虽然资源丰富、技术工艺成熟，但是其理论比容量较低（372mAh/g），高倍率性能不足，已经越来越难赶上当今社会快节奏的发展趋势。Si的理论比容量高达4200mAh/g，是一种极具开发潜力的负极材料；无定形Al₂O₃包覆石墨被证实能够显著提高锂离子电池负极材料的倍率性能；而微膨石墨负极曾被报道能够通过引入缺陷结构的方式，提高石墨负极的比容量和倍率性能。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种高性能兼顾快充石墨锂离子电池负极及其制备方法，其采用纳米硅的铆合能够显著提高负极材料的比容量；无定形Al₂O₃的包覆能够显著改善石墨与电解液之间的浸润性，提升石墨负极倍率性能；通过插层剂的受热分解，在石墨基体中引入缺陷结构，不仅为石墨提供额外的储锂空间，同时缓解纳米硅在充放电时的体积变化，由此提高石墨负极的比容量以及循环性能和倍率性能。此方法操作简单，制备条件可控，可通过改变工艺参数而调控所得负极材料的性质性能，是一种适合规模化生产的优良方法。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种高性能兼顾快充石墨锂离子电池负极的制备方法，选用不同类型的石墨为原料，利用插层剂和氧化剂制备得到不同的插层化合物，再将硅粉利用砂磨机砂磨成不同尺寸的纳米硅，然后将插层化合物、纳米硅和铝的水合物溶于溶剂中混合搅拌，最后将混合物进行喷雾干燥，再将产物在氮气炉中烧结，得到无定形Al₂O₃包覆、纳米硅铆合在无定形Al₂O₃和石墨间的微膨高性能兼顾快充石墨锂离子电池负极。

作为一种优选方案，具体包括有以下步骤：

（1）将石墨溶于插层剂和氧化剂，在水浴锅中搅拌反应，再将反应产物重复水洗、离心，最后烘干，得到插层化合物；

（2）将硅粉利用砂磨机砂磨成不同尺寸的纳米硅；

（3）将步骤（1）中烘干的插层化合物、步骤（2）中的纳米硅以及铝的水合物溶于溶剂中混合搅拌；

（4）将步骤（3）中得到的混合物进行喷雾干燥，再将干燥产物在氮气炉中烧结，获得无定形Al₂O₃包覆、纳米硅铆合的快充微膨石墨负极。

作为一种优选方案，步骤（1）中所述石墨为天然石墨、人造石墨中的一种或几种；所述插层剂为浓硫酸、甲酸、浓硝酸、醋酸、高氯酸中的一种或几种；氧化剂为双氧水、高锰酸钾、高氯酸中的一种或几种。