[发明专利]一种锂离子电池用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技术领域，尤其涉及一种高致密高硬度的锂离子电池用负极材料及其制备方法。

背景技术

便携式电子设备，如手机、数码相机、笔记本电脑、MP3和MP4等的日益普及对相应的供电电源提出了更高的要求。锂离子电池由于具有安全性能好、能量密度高、重量轻、寿命长和自放电低等优点而被广泛应用于便携式电子设备中。但是，在低温下锂离子电池的放电性能却并不尽如人意。这是因为电池在低温充放电时，受锂离子迁移速度慢的影响，电池的放电容量和循环寿命等电性能明显恶化，这就限制了锂离子电池的应用范围。

锂离子电池的工作温度一般为-20—60℃，在更低温度下，如-40℃时，电池的放电容量只有室温时的12％。影响电池低温容量的原因主要有：（1）电解液的传输性能差；（2）充电过程中由于金属锂的沉积导致电解液的分解；（3）Li⁺在石墨负极中的扩散速度慢。

负极材料是锂离子电池的关键材料之一。在Smart等人的影响下，锂离子电池的低温性能研究主要集中在负极上。但是，到目前为止，还没有一种能超低温放电、性能平稳且循环性能优良的锂离子电池负极材料，从而限制了锂离子电池的使用面，阻碍了锂离子电池行业的更好发展。对于负极材料的低温性能来说，影响较大的一个因素是低温下锂离子的固相扩散。一般来说，比较致密的负极材料的固相扩散系数比较大。本发明为提高锂离子电池的低温放电性能，从这一点出发而提供一种制备致密的锂离子电池负极材料。由于天然石墨是目前应用较多的负极材料，而且天然石墨的结构完整，嵌锂位置多，所以容量较高，是非常理想的锂离子电池负极材料，因此本发明提供了一种高致密高硬度、低孔隙率，并具有优异低温放电性能的锂离子电池用负极材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种高致密高硬度、低孔隙率的锂离子电池用负极材料，使得使用该负极材料的锂离子电池具有优异的低温放电性能，以克服现有技术中的负极材料的孔隙率较大、硬度较小的不足。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种锂离子电池用负极材料，所述负极材料为核壳结构，包括壳层和核层，壳层材料为裂解炭，核层材料为天然石墨，并且所述核层材料的内部填充有焦炭；所述负极材料的内部孔径为0.1～200nm，平均孔径为5～20nm，孔容为0.06-0.08g/cc，这种材料具有较低的内部孔隙；所述负极材料在1000千克压力下的粉末压实密度为1.4g～1.6g/cm³，这种材料具有较好的机械强度；并且所述负极材料的004晶面的X射线衍射峰强度与110晶面的X射线衍射峰的强度比(C004/C110)为3.0～10.0，这种材料具有较好的各向同性性质。

作为本发明锂离子电池用负极材料的一种改进，所述负极材料的比表面积为1～3m²/g。

作为本发明锂离子电池用负极材料的一种改进，所述负极材料的振实密度为0.9～1.5 g/cm³。

用聚焦离子束对本发明的负极材料颗粒进行切割后，用场发射电子显微镜在50000倍的放大倍数下观察时，颗粒截面无孔隙，这表明本发明的负极材料具有低的孔隙率。此外，实验表明，将本发明的负极材料制备成锂离子电池时，通过EIS分析负极的固相扩散系数为：室温时，0.9~2×10^-14cm²/s，10℃时，3~5×10^-15 cm²/s，0℃时，1~3×10^-15 cm²/s，这表明本发明的负极材料具有较高的固相扩散系数，从而提高使用该负极材料的锂离子电池的低温放电性能。

相对于现有技术，本发明通过在天然石墨的内部孔隙中填充焦炭，并在天然石墨的外表面包覆裂解炭，同时对锂离子电池用负极材料的孔径分布、平均孔径、孔容、压实密度和取向等参数进行限定，保证了本发明的负极材料具有较低的孔隙率、较高的硬度和较高的扩散系数，使负极材料颗粒具有致密的内部结构，在充放电过程中能保持良好的结构稳定性；而且颗粒表面和内部具有通畅的锂离子扩散通道，从而保证采用该材料制备的锂离子电池具有非常高的低温放电能力、高的充电倍率、长的循环寿命与低的体积膨胀，进而满足当前便携式电子产品对锂离子电池越来越高的要求。