[发明专利]一种内部含有三维导电结构的合金包覆负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种内部含有三维导电结构的合金包覆负极材料，特别是涉及一种采用纳米高导电材料和纳米金属或金属化合物分别两次包覆纳米碳材料的锂离子电池负极材料。 

背景技术

锂离子电池是一种新型的化学电源，分别用两个能可逆地嵌入和脱出锂离子的化合物作为正负极而构成。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌出来，在负极中嵌入；放电时锂离子从负极中脱嵌出来，在正极中嵌入。自1991年日本Sony公司将锂离子电池商品化以来，锂离子电池以其能量密度高、工作电压高、负载特性好、充电速度快、安全无污染等优点，迅速在移动电话、微型相机、掌上电脑、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用。 

石墨烯是具有单层碳原子厚度的，由碳原子呈二维蜂窝状晶格结构排列的一种新型碳质材料，是所有其他维数碳质材料的基本组成单元。它的厚度只有0.335nm，仅为头发的20万分之一，可以包成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆砌成三维的石墨。 

石墨烯具有良好的力学、电学、热学性质。它具有非常稳定的结构。石墨烯片层内各碳原子完美排列，受到外力时，碳原子可以弯曲变形，不用重新排列，保持了它的结构稳定性。在石墨烯平面上，碳原子的排列使它非常牢固坚硬，抗张强度可达到50-200GPa，弹性模量可达1TPa，是目前世界上制备出的 具有最高比强度的材料。 

石墨烯作为2010年诺贝尔物理奖获得的材料，具有良好的导电性能，倍率性能，将其应用于锂离子电池负极材料中，可以大幅度提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。 

美国普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员日前指出，若是采用石墨烯(graphene)电极，锂电池的充电时间将能从2小时缩短到只要10分钟。这种新开发的石墨烯电极制造技术，是由美国能源部所属的西北太平洋国家实验室(PNNL)与普林斯顿大学的研究员Ilhan Aksay所共同开发，并且已经授权给厂商Vorbeck Materials，准备推向商业化。PNNL表示，该实验室已经证实超薄石墨烯薄片能组装到锂离子电池的电极，并能大幅缩短充电所需时间。 

发明内容

本发明提供一种内部含有三维导电结构的合金包覆负极材料，以纳米碳材料为内核，用纳米高导电材料包覆纳米碳材料形成含核导电体，该含核导电体壳层及内核形成第一导电层，用纳米金属或金属氧化物对含核导电体再次包覆，再次包覆的壳体形成第二导电层，经两次包覆即构成负极材料微米粒子，该微米粒子的第二导电层与第一导电层共同形成三维导电网络，最后再用石墨烯做表面处理及提高负极密度。 

所述的纳米碳材料为人工石墨、天然石墨、改性石墨、石墨化碳纤维、石油焦、中间相碳微球、树脂碳、有机聚合物热解碳、炭黑、纳米碳管、石墨烯、富勒烯、纳米碳微球、碳纤维中的一种或几种。 

所述的纳米高导电材料为银、铜、纳米碳管的一种或几种。 

所述的纳米金属或金属化合物为纳米金属银、铜、锡、铝、镁的金属或金 属化合物。 

所述的微米粒子粒度为2-100um。 

所述的石墨烯厚度为1-10nm，室温导电率为800-1200S/cm。 

本发明还提供了一种内部含有三维导电结构的合金包覆负极材料的制备方法，其步骤条件为： 

(1)第一导电层的形成：将重量百分比20％～60％的纳米碳材料与重量百分比40～80％的纳米高导电材料同时放入纳米高温高压蒸气混合机中，蒸气温度范围为100-600℃，以高温蒸气为载体使纳米碳材料与纳米高导电材料混合，同时在纳米高温高压蒸气混合机内进行搅拌，纳米高温高压蒸气混合机升温速率为每1小时升温100℃，温度升至500-1000℃，保温时间为2～10小时，搅拌速度为60～300转/分钟；纳米高温高压蒸气混合机温度降到300℃-500℃，压力为10^-5-10^-3Pa，反应1～10小时，使纳米碳材料包覆纳米高导电材料，纳米碳材料与纳米高导电材料形成第一导电层；