[发明专利]锂离子电池锡-钴-磷合金负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极材料，尤其是涉及一种高容量锂离子电池三维多孔锡-钴-磷合金负极材料及其制备方法。

背景技术

电动汽车和移动电子设备的飞速发展迫切需要高性能的锂离子电池电极材料。目前，商品化锂离子电池负极材料均采用石墨化炭材料，其容量已达到其极限值(372mAh/g)，同时其高倍率充放电性能较差；当电池过充电时，炭电极表面易析出金属锂，形成枝晶而引起短路。因此，开发出能在比炭负极嵌锂电位稍高的高储锂容量的新型非碳类负极材料是负极材料研发的热点。锡金属负极材料具有较高的理论容量，已有较多的文献报道，但这类材料均存在首次充放电的不可逆容量大和循环性能差的缺点。近年来国内外许多研究工作都致力于改善锡基负极材料的性能，基于“缓冲基”的概念，将活性相分散到非活性相载体中，可以提高电极的循环性能。目前被广泛研究的合金主要有Sn-Ni、Sn-Cu、Sn-Co和Sn-Zn等，其中Sn-Co合金被认为是最有发展前途的合金材料(参见文献：1、Electrochemical and Solid State Letters2003，6：A218；2、Electrochim.Acta，2004：49：1949；3、J.Electrochem.Soc.2003，150：A1346；4、J.Power Sources，2002，107：48；5、Journal of Power Sources 170(2007)450-455)。电镀方法具有工艺简单和易规模化生产的特点，在合金制备中得到广泛的应用。Tamura等(Electrochim.Acta，2004：49：1949)采用电沉积方法制备了Sn-Co合金负极材料，实验结果表明微岛状的Sn-Co能明显改进材料的循环性能，非晶态结构Sn-Co合金电极在充放电过程中其结构更为稳定(参见文献：J.Electrochem.Soc.2006，153(12)：A2227)。Ke等(Journal ofPower Sources 170(2007)450-455)利用聚苯乙烯微球为模板，通过电沉积技术制备出大孔结构Sn-Co合金负极材料，该大孔结构能有效抑制电极在充放电过程中的体积膨胀，显著提高其循环性能。已报道的研究结果表明，虽然上述锡基合金能改进材料的循环性能，但是其效果仍然十分有限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的锡基合金负极材料存在严重体积膨胀等问题，提供一种具有初始容量大、首次充放电效率高、不可逆容量小和循环性能好、设备投资小、操作简单、易规模化生产等优点的锂离子电池锡-钴-磷合金负极材料及其制备方法。

本发明所述的锂离子电池锡-钴-磷合金负极材料的组成及其按质量百分比的含量为：Sn∶Co∶P＝72％∶22％∶6％。

本发明所述的锂离子电池锡-钴-磷合金负极材料的制备方法包括以下步骤：

1)将酒石酸钾钠和柠檬酸钾溶解于水中，搅拌，分别加入锡酸钠和氯化钴，得溶液A；

2)在溶液A中加入次磷酸纳，在泡沫铜集流体或平面铜集流体上电沉积，得到锂离子电池锡-钴-磷合金负极材料。

按质量比，酒石酸钾钠∶柠檬酸钾∶锡酸钠∶氯化钴∶次磷酸钠＝1∶0.14∶(0.03～0.6)∶(0.007～0.07)∶(0.003～0.053)，最好为酒石酸钾钠∶柠檬酸钾∶锡酸钠∶氯化钴∶次磷酸钠＝1∶0.14∶(0.47～0.6)∶(0.013～0.027)∶(0.013～0.04)。

在泡沫铜集流体或平面铜集流体上电沉积的电流密度可为0.1～2A/dm²，最好为0.5～1A/dm²。

在泡沫铜集流体或平面铜集流体上电沉积时最好以泡沫铜集流体或平面铜集流体为阴极，电镀1～20min，即可得到锂离子电池锡-钴-磷合金负极材料。

按质量比，锡酸钠的浓度可为5～90g.L^-1，最好为70g.L^-1，氯化钴的浓度可为1～10g.L^-1，最好为1～3g.L^-1，次磷酸钠的浓度可为0.5～8g.L^-1，最好为2～6g.L^-1。

与现有的锡基合金负极材料及其制备方法相比，本发明具有以下突出的优点：

1)本发明在合金中引入第三种元素磷，运用电镀的方法制备锂离子电池锡-钴-磷合金负极材料，可实现规模化生产；