[发明专利]锂离子电池负极，其制备方法和应用该负极的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极及其制备方法以及应用该锂离子电池负极的锂离子电池，尤其涉及一种基于碳纳米管的锂离子电池负极及其制备方法以及应用该锂离子电池负极的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池是一种新型的绿色化学电源，与传统的镍镉电池、镍氢电池相比具有电压高、寿命长、能量密度大的优点。自1990年日本索尼公司推出第一代锂离子电池后，它已经得到迅速发展并广泛用于各种便携式设备。

传统的锂离子电池通常包括正极、负极、隔膜和电解质四个部分。常见的锂离子电池的正极材料通常选自含锂的活性化合物，负极材料则选自碳系材料。充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。

由此可见，负极活性材料是决定锂离子电池性能的重要因素之一。一种好的负极活性材料应具有以下特点：比能量高；充放电反应可逆性好；与电解液和粘结剂的兼容性好；比表面积小(<10m²/g)，真密度高(>2.0g/cm³)；嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好；资源丰富，价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用等。目前，碳材料被广泛用作锂离子电池的负极材料，这些材料的优点是比容量高（200 mAh/g~400 mAh/g），循环效率高（>95%），循环寿命长和电池内部没有金属锂而不存在安全问题。现有的碳负极材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等。

然而，碳材料的种类、制备方法和热处理温度不同时，均会导致负极材料组成和结构上的差异，进而引起锂离子嵌入行为与性能的差异。现有技术中，通常使用天然石墨作为锂离子电池负极材料。纯的天然石墨作为锂离子电池负极材料时具有比容量高（可达到370 mAh/g~430 mAh/g）、价格低廉、来源丰富的优点。然而，使用天然石墨的锂离子电池负极也存在首次充放电效率低，循环性能差，对电解液选择性高的缺点。这主要是由于石墨的表面结构特点使得首次嵌锂过程中所形成的钝化膜（Solid Electrolyte Interface， SEI）具有不均匀性和脆性。这些缺点限制了这种负极活性材料在锂离子电池中的广泛应用。

碳纳米管(carbon nanotube, CNT)是近年来发现的一种新型碳系材料，由单层或多层的石墨片状结构卷曲而成。碳纳米管的层间距为0.34纳米，略大于石墨的层间距，有利于锂离子的嵌入和脱出。碳纳米管作锂离子电池负极材料，锂离子不仅可嵌入中空管内，而且可嵌入到层间的缝隙、空穴之中，具有嵌入深度小、过程短，嵌入位置多等优点。已有报道采用碳纳米管制作的锂离子电池负极（请参见，Effects of synthesis condition of graphitic nanocarbon tube on anodic property of Li-ion rechargeable battery, Journal of power source, V97-98, P129-132（2001））。

然而，目前采用碳纳米管制作的锂离子电池负极，通常将碳纳米管和粘接剂混合均匀后涂覆于集电体上制得电池负极。由于粘结剂的影响，不能充分的利用碳纳米管的表面微孔结构，这限制了负极对锂离子的吸附能力。而且，使用该负极的锂离子电池也存在首次充放电效率低，循环性能差，且对电解液选择性高的缺点。

因此，确有必要提供一种锂离子电池负极及其制备方法以及应用该锂离子电池负极的锂离子电池，应用该锂离子电池负极的锂离子电池具有较高充放电效率，循环性能好，且对电解液选择性不高。

发明内容

一种锂离子电池负极的制备方法，其包括以下步骤：提供一高度大于100微米的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列中部分碳纳米管相互缠绕；采用刀片将上述碳纳米管从基底刮落获得碳纳米管原料，该碳纳米管原料中部分碳纳米管保持相互缠绕的状态；将上述碳纳米管原料添加到溶剂中并进行絮化处理获得碳纳米管絮状结构，碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构；以及，将上述碳纳米管絮状结构从溶剂中分离，并对该碳纳米管絮状结构定型处理形成一碳纳米管薄膜，以获得锂离子电池负极。

一种锂离子电池负极，该锂离子电池负极为一纯碳纳米管薄膜，所述的碳纳米管薄膜中包括相互缠绕的碳纳米管，碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。