[发明专利]一种锂离子电池用碳/硅/块状石墨负极材料、制备方法及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用碳/硅/块状石墨负极材料，同时还涉及一种锂离子电池用碳/硅/块状石墨负极材料的制备方法及采用该负极材料的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、比能量高、放电平稳、循环寿命长等优势而成为储能领域的一枝独秀，已被广泛应用于便携式电子设备、电动工具、航空航天等领域。负极材料作为锂离子电池关键材料一直备受人们关注。目前，商业化的石墨类负极材料虽然电化学性能优良、安全可靠，但其理论比容量仅为372mAh/g，不能满足人们对高能量密度、高倍率性能锂离子电池的需求。为适应高容量、高倍率电池市场的需求，人们开始积极探索并开发新型负极材料。

硅材料以其4200mAh/g的超高容量吸引着人们的眼球，其储量丰富，对环境友好。然而，硅作为锂离子电池负极材料时存在一个致命问题，即电池在充放电过程中伴随有巨大的体积变化(＞300％)，在多次重复性的嵌脱锂后，材料会出现裂纹，甚至粉化脱落，导致循环性能衰退，电极失效。

目前，常用来改善硅负极材料循环性能的方法主要有硅颗粒纳米化、硅与惰性或活性物质复合等，其中硅/碳复合材料最为可观。在硅/碳复合体系中，碳材料在充放电过程中体积变化小于10％，结构稳定，它作为“骨架”缓冲硅的体积膨胀，稳定硅的结构，在很大程度上改善了循环稳定性。硅/碳复合体系既能保持高容量的特点，又能在锂离子嵌入和脱出过程中保持材料结构的稳定性，因此，硅/碳复合负极材料有望成为下一代锂离子电池负极材料。通常硅/碳复合材料中硅在母体中的分布主要有包覆型、嵌入型和分子接触型三类。近些年来，人们对硅/碳体系中碳材料的选择也有大量深入的研究，寻找一种合适的碳源并将硅颗粒以某种方式与碳材料进行结合是研究硅/碳复合材料的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池用碳/硅/块状石墨负极材料，解决现有硅负极材料在嵌脱锂过程中因巨大的体积变化而导致的锂离子电池循环稳定性差的问题。

本发明的第二个目的是提供一种锂离子电池用碳/硅/块状石墨负极材料的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种采用上述碳/硅/块状石墨负极材料的锂离子电池。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种锂离子电池用碳/硅/块状石墨负极材料，包括硅/块状石墨复合基体，所述硅/块状石墨复合基体表面包覆有碳层；所述硅/块状石墨复合基体为表面孔洞中填充硅粉的块状石墨颗粒。

所述硅/块状石墨复合基体中，硅粉的质量百分含量为0.1％～1.5％。

所述碳/硅/块状石墨负极材料的D50(中位粒径)为15～22μm，振实密度为0.9～1.5g/cm³，比表面积为1.0～1.7m²/g。

一种上述的锂离子电池用碳/硅/块状石墨负极材料的制备方法，包括下列步骤：

1)取块状石墨颗粒与硅粉，将硅粉挤压进块状石墨颗粒表面的孔洞中，得硅/块状石墨复合基体；

2)将步骤1)所得硅/块状石墨复合基体与包覆剂混合均匀后，在保护气氛下升温至1000～1400℃并保温2～5h进行炭化处理，降至室温后经筛分、除磁，即得。

步骤1)中，所述块状石墨颗粒的纯度为99.95％～99.99％，D50为16.0～19.5μm，振实密度为0.9～1.1g/cm³，比表面积为5.0～7.0m²/g，孔隙率为9.5％～11.0％。

步骤1)中，所述硅粉的D50为0.1～0.5μm。

步骤1)中，所述挤压是将块状石墨颗粒和硅粉置于RQM融合球化机中，在800～1200rpm的转速下工作0.5～1.5h，使硅粉挤压进块状石墨颗粒表面的孔洞中。

步骤2)中，所述包覆剂为沥青。

所述包覆剂的D50≤3μm。

步骤2)中，硅/块状石墨复合基体与包覆剂的质量比为1:0.03～0.06。

步骤2)中，所述筛分是用200目的筛网进行筛分。

一种锂离子电池，采用上述的硅/碳/块状石墨负极材料作为负极材料。

块状石墨，即致密结晶状石墨，属于天然石墨范畴，碳含量为60％～65％，甚至高达80％～98％，结晶肉眼可见，晶体排列杂乱无章，呈致密块状构造；块状石墨因地质成因区别于天然鳞片石墨，该材料内部空隙大，具有天然的蜂窝状孔洞结构。