[发明专利]一种均匀碳包覆的锂离子电池正负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池碳包覆的正负极材料及其制备方法。

技术背景

传统锂离子电池负极材料为石墨材料，正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等材料。其中负极石墨材料嵌锂容量为372mAh/g, 广泛应用于日常生活的各个行业。但是由于其容量偏低，其续航能力越来越不能满足人们要求，因此人们开始尝试研究新的负极材料来提高锂离子其续航能力。其中，硅，锡，金属氧化物等均由于其超高的理论容量而成为新负极材料的备选。但是，这些材料在嵌锂脱锂时，均存在体积大幅膨胀的情况，这使得其作为负极材料循环性能极差，因此需要进行包碳处理来提高其循环性能。而对于正极材料，其主要存在的问题是其电导率和离子扩散系数非常低。因此引入导电性优异的含氮碳材料，对正极材料也极为关键。

本发明所用碳源材料，制备简单，产率高。并且，由于其表面基团跟金属氧化物如四氧化三铁表面具有一定的相互作用，使得在一定温度下，两者可以很好的附着在一起，通过煅烧即可得到较好碳包覆的材料；同时，由于其含有氮元素，碳化后，残留的氮元素可以提高材料的导电性能，这对导电性能差的正负极材料如硅、磷酸铁锰锂、锰酸锂等材料，具有非常好的性能改善作用。因此本发明中所用碳源材料在锂离子正负极材料包覆领域具有非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电性高、包覆效果好的锂离子电池碳包覆的正负极材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

通过硫酸酸化特定含氮化合物，得到离子液体，将离子液体与所需正负极材料充分混合，在一定温度下煅烧碳化，将其应用于锂电池正负极，即可得到具有高导电性及容量的锂离子电池正负极材料。具体步骤为：

（1）将硫酸与作为碳源的含氮化合物在低温下反应（0~10℃），得到离子液体；所得离子液体可通过改变含氮化合物的种类来调变其碳化产率、含氮量、及比表面积；

（2）将所得离子液体与可被包覆的锂电池正负极材料分散于良溶剂（如水或DMF）中，在35-45℃（优选40℃）下混合均匀，除掉溶剂，得到充分混合均匀的碳源及活性电池材料；

（3）将所得电池材料在氩气或氮气中置于高温下碳化煅烧，煅烧温度为400~600℃，即获得具有较高导电性及均匀碳包覆的正负极材料。

将所得材料进行锂电池测试，可以获得较高的容量及循环性能。

步骤（1）所述的含氮化合物为3-氰基吡啶、1,10-菲罗啉，2,2-联吡啶，1-乙烯基咪唑、1-氰乙基-2-苯基咪唑、二乙胺或氨基乙腈硫酸氢盐等含氮化合物；硫酸为浓硫酸（如95%）。

步骤（2）所述的可被包覆的锂电池正负极材料，包括：商用石墨材料，正极材料磷酸盐如磷酸铁锂、磷酸锰铁锂等，负极材料如Fe₃O₄、硅材料等。

透射电镜分析

图1为离子液包覆Fe₃O₄纳米粒子在500℃煅烧后透射电镜图片。从图中可以看出，Fe₃O₄纳米粒子表面被均匀包覆有一层碳材料。

热失重分析

图2为离子液包覆的Fe₃O₄纳米粒子碳化后在空气下的TGA图。从图中可以看出，纳米粒子的碳包覆量约为20%。

电池循环容量分析

图3为离子液包覆的Fe₃O₄纳米粒子碳化后作为锂电池负极材料的电池循环容量图，及不使用碳包覆的Fe₃O₄纳米粒子碳化后的循环容量图的对比。两者均在350mA/g的电流密度下进行循环测试。

电池循环伏安表征

图4为离子液包覆的Fe₃O₄纳米粒子碳化后作为锂电池负极材料的电池循环伏安前三次的循环曲线。测试条件为0.1mV/s。

综上所述，本发明相对现有技术具有以下特点：

本发明利用硫酸酸化多种含氮化合物，得到离子液体。将所得离子液体与正负极液体均匀混合后煅烧碳化即可得所需锂电池活性材料。本发明具有以下优点，一方面所得离子液体碳化后的碳化产率，含氮量，比表面积均可通过使用不同的含氮化合物来调节；另一方面，所得碳材料由于含有氮元素使得材料导电性大幅提高，很多导电性差的材料均可使用此材料来提高导电性从而提高其在锂电池方面的应用效率。