[发明专利]一种用于锂离子电池的锡铜合金负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池制造领域，涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，特别是涉及一种锡铜合金的负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池拥有高能量密度、高功率密度、安全性能好、循环寿命长的特点，而且不含有铅、镉、汞等污染物质，是一种较为理想的储能器件。负极材料作为提高锂离子电池容量和循环寿命的重要因素，受到科学与产业界的关注。已经工业化生产的负极材料是碳类材料，其理论比容量为372mAh/g，目前实际应用的碳负极容量已经非常接近其理论比容量，进一步提高该材料比容量的可能性不大。随着电子产品的普及，电动汽车等高需能设备的高速发展，现有的锂离子电池的容量已不能满足当代电子产业的需求，故找到一种高能量密度的负极材料成为当前材料工作者的主要目标。

金属锡作为锂离子电池负极材料时，具有较高的理论质量比容量(990mAh/g，几乎是碳材料的三倍)，而且安全性能好，目前受到了越来越多的研究和关注[Kepler K.D.，Vaughey J.T.，Thanckeray M.M.，J.Power Sources，1999，81-82：383-387；Li N.C.，Martin C.R.J.Electrochem.Soc，2001，148(2)，A164；NazarL.F.，Goward G.，Leroux F.et al Internation.J.Inorgan.Materials，201，(3)，191.；Read J.，Foster D.，Wolfenstine J.，et al.J.Power Sources.2001.96.277.]。其主要采用电镀或球磨的方法，然后再热处理得到锂离子电池负极材料，首次充电比容量较高，但锡在锂离子嵌入与脱出过程中体积变化率很大，导致充放电循环性能不佳。

锡合金在一定程度上可以缓冲锡与锂合金化过程中的体积膨胀，达到提高材料循环性能的目的。目前被广泛研究的锡基二元合金主要有Sn-Cu、Sn-Sb、Sn-Ni、Sn-Co等。Sn-Cu合金中，铜金属具备良好的延展性和导热导电性能，当锡原子与铜原子结合时，能为锡在锂离子嵌入与脱出过程中起到支架作用，缓冲锂离子嵌入脱出时晶格变化所产生的应力，从而使该类型材料作为负极材料时，在充放电过程中，锂离子多次嵌入脱出之后，其依旧能保持其原有的形态。因其具备如此优异的性能，锡/铜合金负极材料被材料科学界所关注。如Weihua Pu等[WeihuaPu，Xiangming He，Jianguo Ren，Chunrong Wan，Changyin Jiang，Electrochimica Acta50(2005)4140-4145]在铜基底上电镀一层锡，再热处理得到了Sn-Cu合金，结果表明，该方法制备的铜锡合金由Cu₆Sn₅和Cu₃Sn组成，用该材料制备的锂电池负极循环性能远远优于单纯Sn负极，且首次充放电库仑效率达到95％。中国专利CN 1974869A采用非氰化物电镀制备了锂离子电池锡铜合金负极材料，该材料首次充放电效率高，首次充放电质量比容量为400～600mAh/g。虽然这些工作制备出的锡/铜合金负极材料具有较高的比容量，但其循环性能仍需要进一步改善才能适用于工业生产。