[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种一种锂离子电池负极材料的制备方法包括以下步骤：(1)抽滤法制备出厚度为30‑250μm碳纳米管薄膜；(2)电镀法制备碳纳米管‑铁复合薄膜，其中铁与碳纳米管的质量比为1：(3.6‑4.5)；(3)采用磁控溅射Sn和高温热处理制备出含有Sn₂Fe合金相的碳纳米管‑铁‑锡复合电极，即所述锂离子电池负极材料。本发明的制备工艺简单省时，材料经济。本发明还提供一种该方法制备的锂离子电池负极材料，能够保证初始比容量在1800mAhg^‑1以上，在100循环充放电后的容量恢复率在95％左右，可逆容量较高，在500次循环后容量恢复率可以达到87.8％。本发明还提供一种如前所述方法制备获得的锂离子电池负极材料的应用，其中所述锂离子电池负极材料用作负极片，和正极片、隔膜组装成锂离子电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体为一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池具有优异的电化学性能，如高电压、高比能、循环寿命长和无记忆效应等，是目前应用最广的储能器件之一。目前，锂离子电池已经广泛应用于手机、笔记本等电子产品中，并且近年来在电动汽车以及电能储备器件中也得到了越来越多的研究和应用开发。作为锂离子电池的组成之一，负极材料的性能直接影响着锂离子电池的整体性能。目前，商业化的锂离子电池负极材料普遍采用的是石墨，而石墨作为负极材料理论比容量较低(约372mAh/g)，同时也容易受到锂脱嵌过程导致的体积效应。锡基材料作为负极材料相对于石墨具有更高的比容量，但是其自身的体积效应也限制了其应用，因此解决锡基材料的体积效应并保证其比容量是当下的急切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种锂离子电池负极材料的制备方法包括以下步骤：

(1)首先将浓度为1-15mg/mL的碳纳米管墨水用水性纤维素滤膜真空抽滤，烘干后得到滤膜基底的碳纳米管薄膜；所述碳纳米管薄膜的干膜厚度为30-250μm；

碳纳米管是一种由呈六边形排列的碳原子构成单层或多层的同轴中空管状碳结构，多层管中层与层之间有着约0.34nm的固定间距，在进行脱锂和嵌锂时具有较强的结构稳定性，不易于产生较大的体积变化，因此具备良好的循环性能。本发明首先制备出多孔的碳纳米管薄膜“骨架”结构，为后续填入作为“填充”结构的活性金属提供了空间。

(2)将碳纳米管薄膜作为阴极材料、铂电极作为阳极材料浸入浓度为0.5-4mol/L的铁离子或亚铁离子盐溶液中，对碳纳米管薄膜进行电镀，烘干后得到碳纳米管-铁复合薄膜，所述铁与碳纳米管的质量比为1：(3.6-4.5)；

(3)在保护性气氛下，以纯度为99.5％以上的金属锡为靶材，采用磁控溅射法对(2)步骤得到的碳纳米管-铁复合薄膜进行溅射得到碳纳米管-铁-锡复合电极；接着对所述碳纳米管-铁-锡复合电极进行预热处理，再将温度升至235-250℃高温热处理12-16h，随后随炉冷却至室温得到含有Sn₂Fe合金相的碳纳米管-铁-锡复合电极，即所述锂离子电池负极材料；所述预热处理和高温热处理均在保护性气氛下进行。

锡基材料是一种比容量较高的新型锂离子电池负极材料，但是其在充放电过程中与锂的合金化、去合金化容易产生体积效应而导致变形、开裂，电池的循环性能下降。本发明一方面将锡基材料(锡-铁)与具有结构稳定性的碳纳米管进行复合，使得锡基材料在脱嵌锂的过程中被碳纳米管有效地限制了体积的变化，在保证电池的可逆容量的基础上，提升了充放电效率；另一方面通过磁控溅射和高温热处理制得含有Sn₂Fe合金相的锡基材料，该合金相在充放电过程中可以形成Sn₄LiFe中间相，不但可以储存部分锂，提升电池的容量，还能够减小锡基材料在充放电过程中自身的体积效应，从而提升电池的循环稳定性能。