[发明专利]一种负极材料及其制备方法和具有负极材料的锂电池

说明书

本发明公开了一种负极材料及其制备方法和具有负极材料的锂电池，包括：碳基材料，所述碳基材料至少包括一种碳基材料单元，所述碳基材料单元交错设置，且所述碳基材料表面均匀负载金属氧化物镀层；其中，所述碳基材料成分至少包括碳、氮、氧三种元素；其中，所述金属氧化物镀层至少为三氧化二铁、四氧化三钴、氧化镍、二氧化锡中的一种。该负极材料能有效抑制电池循环过程中锂枝晶生长问题以及减缓循环过程中带来的体积膨胀问题，能够提升锂金属电池的可逆比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂金属二次电池技术领域，尤其涉及一种负极材料及其制备方法和具有负极材料的锂电池。

背景技术

目前尽管锂离子电池得到了广泛的应用，但因为石墨的理论比容量仅有372mAh/g，因此以石墨为负极的电池体系很难满足日益增长的能量密度和功率密度要求。因而发展高比能电池负极材料成为了目前研究的热点。

金属锂因其具有极高的容量(3860mAh g-1)和最负的电势(-3.040V vs标准氢电极)，被认为是下一代锂电池最具前景的负极材料；然而锂金属电池商业化进程受阻的主要原因是循环过程中锂枝晶的生成以及体积膨胀；锂枝晶的生成容易造成电池短路，从而带来安全性问题，而且体积膨胀容易导致电池循环过程中结构崩塌，从而使得材料比容量下降，循环稳定性变差。

发明内容

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种负极材料，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

根据本发明第一方面的一种负极材料，包括：

碳基材料，所述碳基材料至少包括一种碳基材料单元，所述碳基材料单元交错设置，且所述碳基材料表面均匀负载金属氧化物镀层；

其中，所述碳基材料成分至少包括碳、氮、氧三种元素；

其中，所述金属氧化物镀层至少为三氧化二铁、四氧化三钴、氧化镍、二氧化锡中的一种。

在该技术方案中，金属氧化物负载在碳基材料上能显著改善碳基材料的亲锂性，使得该负极材料能有效抑制电池循环过程中锂枝晶生长问题以及减缓循环过程中带来的体积膨胀问题，能够提升锂金属电池的可逆比容量和循环稳定性。

在本发明的一个示例中，所述碳基材料单元为碳纤维。

在本发明的一个示例中，所述碳纤维的其内径为3～10um。

在本发明的一个示例中，所述碳基材料为石墨毡、碳布两者中的一个。

在本发明的一个示例中，所述金属氧化物的镀层厚度为0.01～0.05um。

在本发明的一个示例中，在金属氧化物镀层中，所述三氧化二铁含量为5.0％～20.0wt％，所述四氧化三钴含量为0.1～10.0wt％，所述氧化镍含量为1.0～10.0wt％，所述二氧化锡含量为2～25.0wt％。

在本发明的一个示例中，所述金属氧化物通过煅烧的方式镀在所述碳基材料上。

根据本发明第二方面的一种负极材料的制备方法，包括如下步骤：

S10：将金属草酸盐溶解于80vol％乙醇水溶液，超声直至完全溶解；

S20：将石墨毡浸泡于金属草酸盐的醇溶液中；

S30：将浸泡后的碳基材料置于60℃烘箱烘干；

S40：烘干后将样品置于管式炉内，氩气环境下升温至500℃，保温5h，降温冷却至自然温度后得到负极材料。

在本发明的一个示例中，在步骤S40中氩气环境下的升温速度为2℃/min。