[发明专利]一种用于锂离子二次电池的负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池领域，特别是一种用于锂离子二次电池的负极材料及其制备方法。

背景技术

高比容量、长循环寿命的电极材料的开发是决定锂离子二次电池发展以及应用的关键技术。目前商业化的负极材料仍然主要为碳材料。然而，其能量密度较低，理论容量只有375mAh/g，无法满足当今社会对高能化学电源的需求。而且，碳材料与电解液首周反应生成的SEI膜易分解而导致安全问题。因此，目前研究者致力于寻找高比容量、高安全性能的代碳材料。硅由于其理论容量高、资源丰富、价格低廉，成为了下一代锂离子二次电池的一个研究热点。然而，Si在吸放锂过程中会伴随着较大的体积变化，从而导致电极的循环性能急速衰减。

为了改善Si的循环性能，研究者尝试了不同的方法。常见的方法主要有材料的纳米化、合金化和薄膜化等。如将Si的粒径减小到纳米级时，可以利用纳米材料的相对体积膨胀率小的特点来改善电极的循环性能。然而，纳米粒子的制备工艺复杂，一些关键问题如团聚问题仍未解决，因此很难实现工业化生产。材料合金化是近年来研究的热点，其目的主要有两个：一是将活性材料硅分散在与硅合金化的金属基体中，而这些金属基体主要起到缓解体积膨胀的作用，从而改善硅的循环性能；二是利用金属较好的导电性来抑制Si电极的电压滞后现象。然而，单纯添加一种金属材料对Si负极材料的性能改善并不理想，Si合金材料较单纯Si材料的可逆容量有所提高，但在循环多次之后容量仍然衰减很快，说明一种金属的存在对缓解Si体积膨胀的作用有限。另外，研究发现，Si与C材料复合后循环性能有较大改善。其中的C材料主要是指石墨、无定型碳、中间相碳微球以及各种纳米管、纳米线等纳米碳材料。近些年，研究者曾采用不同的制备方法得到了不同形式的Si/C复合材料，如薄膜Si/C材料、颗粒状Si/C材料以及核壳结构的Si/C材料等，均得到了电化学性能优良的电极材料。然而，上述材料的制备方法通常步骤较为复杂、能耗较高、成本高，不适合工业化生产。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种高容量、长寿命的用于锂离子二次电池的负极材料，其制备方法工艺简单、易于操作、易于控制且制造成本低，适合规模化生产。

本发明的技术方案：

一种用于锂离子二次电池的负极材料，由Si、Co、C三种元素单质组成，其中C元素单质为石墨、Co作为非活性材料。

所述Si、Co、C三种元素单质的质量百分比为Si 10-30%、Co 10-30%、石墨为余量。

一种所述用于锂离子二次电池的负极材料的制备方法，采用高能球磨法制备，具体步骤如下：

1）在氩气气氛保护下，将Si粉、Co粉与石墨粉在球磨罐中均匀混合；

2）在氩气气氛保护下，在球料比为4-20：1和转速为150-500转/分钟的条件下球磨10-50h，即得到不同组成比的SiCoC负极材料。

所述球磨机中球磨罐的材质为聚胺酯、陶瓷或刚玉；球的材质为聚胺酯、陶瓷或刚玉，球的规格为Ф6.6mm、0.4g/个和Ф17.0mm、2.0g/个，其数量比为3:1；转速为不大于600转/分钟。

本发明所述的SiCoC三元负极材料中，Si和石墨为活性物质，Co为非活性物质。Si均匀地分散于石墨中，C和Co的加入不仅有效抑制了Si的电压滞后现象，而且缓冲了Si的体积膨胀，使本发明制得的负极材料容量高、循环寿命长。

本发明采用高能球磨法，目的是使复合材料粒度均一、提高活性、改善活性颗粒Si之间，及其与缓冲基体之间界面的结合力等作用，从而改善了材料的循环稳定性。

本发明的优点是：工艺简单、易于操作、易于控制，制造成本低，适合规模化生产；制得的材料容量高、循环寿命长，应用于锂离子二次电池的负极，可显著提高电池的比能量。

附图说明

图1为实施例1SiCoC材料的X射线衍射（XRD）谱图。

图2为实施例1SiCoC材料的电化学循环放电容量曲线。

图3为实施例1SiCoC材料的扫描电镜（SEM）照片。

图4为实施例1SiCoC材料的透射电镜（TEM）照片，其中（a）为低倍率观测结果，（b）为高倍率观测结果。

具体实施方式

下面通过具体实例对本发明做进一步的说明。在下述实施例中，所述球磨机中球磨罐的材质为聚胺酯、陶瓷或刚玉；球的材质为聚胺酯、陶瓷或刚玉，球的规格为Ф6.6mm、0.4g/个和Ф17.0mm、2.0g/个，其数量比为3:1；转速为不大于600转/分钟。

实施例1：