[发明专利]一种锂离子电池阳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，尤其涉及一种锂离子电池阳极材料及其制备方法。

背景技术

随着消费类电子产品功能的多样化，锂离子电池作为电子产品的供给能源，其容量及使用寿命开始受到人们的高度关注。而随着各类消费类电子产品的小型化和微型化，其留给锂离子电池的空间越来越有限，为此，就需要提高电池的容量，更准确的说是提高电池的能量密度，就显得尤为重要。要提高电池的能量密度，电池结构上的改进、提高正极材料的克容量和提高负极材料的克容量均是值得考虑的方向，但是电池结构上的改进，如减少包装膜的厚度或对极耳进行处理，只能稍稍提高电池的能量密度；而正极材料的克容量提高有限，负极材料的克容量提升则还有很大空间。

目前广泛使用的负极材料主要包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球及它们的混合物。众所周知，石墨的理论克容量是372mAh/g，其已无法满足目前高端电子产品的能量密度要求。因此科研工作者对高能量密度的负极材料做了广泛而深入的研究，其中科研工作者公认的最有希望的就是硅基材料。硅的理论克容量高达4200mAh/g，远高于石墨的理论克容量372mAh/g。但硅也有很大的缺点：硅嵌锂后的体积膨胀能达到300％-400％之多。其剧烈的膨胀容易导致活性物质与集流体脱落而使得电极寿命迅速下降。

CN 103875102A公开了锂离子蓄电池的阳极材料，具有通式MySb-M'Ox-C的阳极材料，其中M和M'为金属且M'Ox-C形成含有MySb的基质。本发明还涉及具有通式MySn-M'Cx-C的阳极材料，其中M和M'为金属且M'Cx-C形成含有MySn的基质。本发明另外涉及具有通式Mo₃Sb₇-C的阳极材料，其中-C形成含有Mo₃Sb₇的基质。本发明还涉及具有通式MySb-M'Cx-C的阳极材料，其中M和M'为金属且M'Cx-C形成含有MySb的基质。但是，所述阳极材料制作的电池能量密度还不够高，在放电过程中会导致电池体积的膨胀。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种既能有效提高电池的能量密度，又能有效解决硅基材料的膨胀问题的锂离子电池阳极材料。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种锂离子电池阳极材料，所述阳极材料包括石墨、CuSn-TiC-C和Mo₃Sb₇-C，所述石墨的平均粒径为2-10μm，所述CuSn-TiC-C的质量占所述阳极材料总质量的10-30％，所述Mo₃Sb₇-C的质量占所述阳极材料总质量的5-20％。

所述CuSn-TiC-C可通过使电化学上对锂具有活性的纳米结构化材料CuSn与对锂无活性的材料TiC-C掺合形成复合阳极材料而使体积随着锂离子进入和离开材料而变化的影响减小或减到最小。纳米结构化材料可为锂离子提供较短的扩散长度且可适应因蓄电池循环过程中的体积变化而产生的应变，但由这些纳米结构化材料的粒子小尺寸和高表面反应性所产生的大的表面积与体积比可成问题。

添加TiC-C形成非活性基质可帮助在充电/放电循环期间缓冲电化学活性材料的体积变化。TiC-C基质还可减少对蓄电池性能不利的CuSn粒子聚结。

所述CuSn-TiC-C可避免金属锂镀覆于阳极上或将镀覆速率降低到足够低以避免蓄电池在其预期使用寿命期间因短路而失效的速率。操作电势也可防止或减少SEI层形成。

Mo₃Sb₇-C中的Mo₃Sb₇粒子可经由其晶体结构束缚Sb，从而防止Sb聚结，Sb聚结会导致大多数Sb合金电极中的容量消退。Mo₃Sb₇也在循环期间遭遇显著的体积变化。

本发明中，两种阳极材料复合可以有效抑制体积膨胀，而且可以提高阳极材料的克容量和电池的能量密度。本发明中两种材料的平均粒径均较小，是为了使石墨和另外两种材料能够均匀混合，以进一步缓冲阳极材料的体积膨胀，从而使得电池的使用寿命大大延长。

作为本发明锂离子电池阳极材料的一种改进，所述CuSn-TiC-C材料的质量占所述阳极材料总质量的15-25％，如16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％或24％等。

优选地，所述CuSn-TiC-C的质量占所述阳极材料总质量的20％。