[发明专利]一种多元复合负极材料、其制备方法及包含其的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体地，本发明涉及一种多元复合负极材料及其制备方法，以及包含其的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、循环使用寿命长、无记忆效应、自放电小、环境友好等优点，已被广泛应用于便携式电子产品和电动汽车中。目前，商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但它的理论比容量仅为372mAh/g，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。国内外研究报道，能够与锂形成合金的金属元素、金属氧化物与金属合金化合物，如Si、Sn、Ge、Pb、SiO、SnO、SbSn、Mg2Si等，具有较高的比容量。然而，这些材料在使用过程中电池容量衰减较快，使其实际应用受到一定的限制。

分析认为金属单质、合金与金属氧化物负极材料脱嵌锂体积膨胀收缩较大造成材料破坏和粉碎，是导致材料容量衰减较快的主要原因。因此，抑制材料的体积膨胀，提高材料的结构稳定对于提高合金与金属氧化物负极材料循环稳定性意义重大。目前主要通过纳米化、合金化以及与多元复合(与活性或者非活性材料的复合)来改善材料的体积膨胀。

如CN103199223A公开了一种Cu-Cr-Si三元负极材料及其制备方法，该发明将铜粉、铬粉、硅粉混合煅烧处理制备合金铸块，然后粉碎，获得具有微米级以下尺寸Cu-Cr-Si三元合金粉体，所得材料具有较高的容量，循环性能良好，但该方法制备的三元材料中硅与铬形成的连续相尺寸仍然较大，未将铜、铬与硅均匀的分散。CN 103560249A公开了一种多元复合负极材料及制备方法，其将硅粉、碳纳米管、膨胀石墨添加到聚乙烯醇或聚乙二醇水体系中，然后搅干并进行烧成，制得由纳米硅粉、碳纳米管、膨胀石墨和无定形碳组成的多元复合材料，该复合材料导电性好，容量高，但该方法制备过程中，难于将纳米硅粉充分的分散，从而导致该材料的首次充放电效率较低。

因此，研发一种高导电性、高容量、高首次充放电效率与循环稳定性好的多元复合负极材料是锂离子电池领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种多元复合负极材料，所述负极材料的导电性好、容量高、首次库伦效率高、循环性能优异。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多元复合负极材料，所述负极材料为多壳层核-壳结构，内核由石墨与涂覆在石墨表面的纳米活性物质构成；所述内核的外层依次为：第一壳层为导电碳材料，第二壳层为纳米活性物质，第三壳层为导电碳材料包覆层。

对于本发明的多元复合负极材料，所述负极材料含纳米活性物质1～40wt％，石墨30～80wt％，导电碳材料10-50wt％。

优选地，所述多元复合负极材料的中值粒径为5.0～45.0μm，优选为8.0～35.0μm，进一步优选为10.0～25.0μm。

优选地，所述多元复合负极材料的比表面积为1.0～20.0m²/g，优选为1.5～8.0m²/g。

优选地，所述多元复合负极材料的粉体压实密度为1.0～2.0g/cm³，优选为1.1～1.7g/cm³。

优选地，所述石墨为天然晶质石墨、天然隐晶质石墨、天然结晶脉状石墨、人造石墨或导电石墨的1种或至少2种的组合。

优选地，所述石墨的形状为片状、类球形块状或球形的1种或至少2种的组合。

优选地，所述石墨的中值粒径为5.0～30.0μm，优选为8.0～25.0μm，进一步优选为10.0～20.0μm。

优选地，所述纳米活性物质为对锂具有电化学活性的材料，优选为活性金属单质、活性类金属单质、金属氧化物、金属合金化合物中的1种或至少2种的组合，更优选为硅单质、锡单质、锑单质、锗单质、铝单质、镁单质、锌单质、稼单质、镉单质、钛氧化物、硅氧化物、锡氧化物、钴氧化物、铁氧化物、铜氧化物、锰氧化物、镍氧化物、锡锑合金、铟锑合金、银锑合金、铝锑合金、银锡合金和硅镁化合物中的1种或至少2种的组合。

优选地，所述纳米活性物质的中值粒径为30.0～300.0nm，优选为25.0～250.0nm，进一步优选为20.0～200.0nm。

优选地，所述导电碳材料为碳纳米管、石墨烯、导电石墨、碳纤维、纳米石墨、导电碳黑或有机物裂解碳中的1种或至少2种的组合。

本发明的目的之二在于提供一种本发明所述多元复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在石墨表面涂覆纳米活性物质，得到第一前驱体；