[发明专利]一种碳包覆纳米级锂铝合金负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种碳包覆纳米级锂铝合金负极材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的不断发展，人类对自然资源的需求量越来越大，从而导致自然资源枯竭和环境污染等问题。所以开发新能源技术迫在眉睫。锂离子电池作为一种较新的二次能源，具有质量轻、工作电压高、实际充放电比容量大、环保等优点，已经被广泛地应用到了人类的生活中，比如说移动电话，笔记本电脑等。但随着科学技术的发展，人们对目前已经产业化的锂离子电池提出了更高的要求，希望其具有更高的能量密度和功率密度。

制备锂铝合金的方法有很多，比如高能球磨法、真空熔炼法、粉末冶金法，离子液体电沉积。碳包覆的方法包括高温固相法、电弧放电法、液相浸渍法、热解法、化学气相沉积法。电弧放电法是在惰性气氛下，用直流电弧放电蒸发石墨电极便可在沉积于阴极或反应室壁上的产物中获得。化学气相沉积是在反应室中，把要包覆的颗粒均匀分散基板上，在一定的温度下通入碳源气，在金属颗粒的催化作用下发生热解反应并于基板上沉积成碳 。液相浸渍法是首先用拟包覆的金属盐溶液浸渍非石墨化碳 ，然后进行过滤干燥后，进一步在惰性气氛中进行高温热处理，产物中即包含许多碳包覆纳米金属颗粒。热解法是将在空气中定存在且具有可溶性的有机属化合物、有机金属聚合物或高分子络合物等作为金属源与合适的碳源在惰性气氛中进行热解可以获得纳米金属粒子均匀分散于碳基体的复合材料。高温固相法则是在高温下，固体界面间经过接触，反应，成核，晶体生长反应得到产物。

现在的锂离子电池的负极材料主要是碳材料，包括石墨化碳材料，如石墨化中间相碳微球和一些热解硬碳。目前，其实际比容量一般不超过400mAh/g,已经无法满足现实新能源汽车和高端电子设备的需要。 

金属锂有最负的电位和最高的质量比容量（3860mAh/g）,但在充放电过程中存在枝晶和固有的安全问题。锂和铝形成AlLi合金，质量比容量高达993mAh/g，可避免了枝晶的产生，同时电压比石墨要高，但是它在充放电过程中，体积变化很大，导致材料结构的变化，容量的衰减和循环性能的恶化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种锂离子电池碳包覆纳米级锂铝合金负极材料及其制备方法,该材料储锂容量高,循环性能好,制备方法简单,成本低，本发明提出的碳包覆纳米级锂铝合金的电极材料,其并非由碳材料与合金粒子简单混合组成,而是由有机碳源均匀包覆的合金粒子在高温下碳化反应形成的碳与本体材料嵌入型结构,其碳层与本体的合金材料结合紧密,不易剥离,并且有一定的膨胀收缩性和良好的电子导电能力。

本发明具体的技术方案是提供一种碳包覆纳米级锂铝合金负极材料及其制备方法, 制备方法具体包括以下步骤：1）将比例为1:1~3:1的锂片和铝粉和3~5g干燥氯化钠经过高能球磨法在惰性气氛下制备锂铝合金纳米粒子；

2）加入有机碳源充分球磨，使其混合均匀；

3）通过高温固相法，将混合均匀好的球磨后的材料，在惰性气氛下高温煅烧碳化后得到碳包覆纳米级锂铝合金负极材料。

步骤1）所述的高能球磨法制备锂铝合金粉体的球磨时间10-15h。

所述的高能球磨法所得的锂铝合金粉体粒径在纳米级。

所述高能球磨利用球磨机的转动和振动使硬球对原料进行强烈的撞击，研磨搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级粒子的方法，与其他物理方法相比，该法简单实用，可以在比较温和的条件下制备纳米级金属合金，而且其组织分布均匀。

步骤2）所述有机碳源为柠檬酸、抗坏血酸、葡萄糖、NMP、沥青、酚醛树脂中的任一种。       

步骤3）所述高温固相法具体是指将步骤2）的混合均匀好的球磨后的材料放置于管式炉的惰性气体中，在某一温度范围内进行热处理。

步骤3）所述的惰性气氛为氩气、氦气中的任一种。

步骤3）所述高温煅烧温度范围为500-700℃，保温时间为1~6小时,最后得到的碳包覆锂铝合金纳米粒子中碳的含量占复合材料总质量的10一30wt%。

所述制备方法制备出的一种碳包覆纳米级锂铝合金负极材料。

所述材料的本体为锂铝合金粒子，碳包覆层是均匀完整地包覆在合金纳米粒子表面,其碳含量占复合材料总质量的10%一30%。

若碳含量少于10%,则由于碳含量过低，无法使锂铝合金粒子完全分散,若碳含量大于30%,则由于这部分碳材料本身的容量较低,从而在很大程度上降低整个复合材料的容量。