[发明专利]锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池材料领域，特别是涉及一种负极材料以及该负极材料的制备方法。

背景技术

随着数码产品与电动汽车的发展，锂离子电池的运用也越来越广泛，对于锂离子电池性能而言，负极材料是提高其电池综合性能的关键因素之一。在锂离子电池正常的充放电过程中，需要锂离子、电子的共同参与，这就要求锂离子电池的电极必须是离子和电子的混合导体，电极反应也只能够发生在电解液、导电剂、活性材料的接合处。然而事实上，锂离子电池的正负极材料的导电性都不尽如人意，负极石墨材料的导电性虽然好于正极材料，但是在多次充放电中，石墨材料的膨胀收缩，使石墨颗粒间的接触减少，间隙增大，甚至有些脱离集电极，成为死的活性材料，不再参与电极反应，从而导致电池容量衰减。另外，目前应用于锂离子电池的常规负极材料为平均粒径在14至22微米之间的一次颗粒，在大电流充电时，锂离子在很短时间内，很难从颗粒表面迅速固相扩散到颗粒芯部，因此在快速充电时材料颗粒芯部的容量无法充分发挥。

碳纳米管、碳纤维和石墨烯作为纳米材料，有着好的导电性，大的长径比，大的比表面积和有利于锂离子迁入迁出的介孔结构，是理想的锂离子电池的导电剂。其作用机理可以概括为：(a)提高复合电极的导电性；(b)提高活性材料之间及其与集流体之间的粘结牢固性(物理粘接剂的作用)；(c)作负极导电剂时自身具有一定的嵌锂容量，可以和负极活性材料形成协同效应，提高复合电极的比容量；(d)填充并减弱石墨材料的膨胀收缩空隙，起到导电剂具有的网格与桥接的作用。因此碳纳米管、碳纤维、石墨烯等已经被广泛应用于锂离子电池电极材料中。

碳纳米管、碳纤维、石墨烯在负极材料中的应用的关键技术是实现其在负极材料中均匀分散。目前碳纳米管和碳纤维引入负极材料中的方法主要包括两种：1)将碳纳米管和/或碳纤维以物理的方法引入到负极中，如专利：CN 103078088 B，先将煤焦和沥青溶于有机溶剂后再在压力容器中进行液相脱水处理，然后通过包覆改性、低温固化、炭化以及高温石墨化处理；最后再加入碳纳米管导电浆料进行超声波分散，将得到的粉体过筛后得到炭改性材料。2)采用原位生长的方法，在负极材料颗粒表面气相沉积生长碳纳米管，如专利:CN 103094529，CN 102299308 A，通过在石墨基体材料中加入催化剂后，置入反应炉中，通碳源气体，气相沉积原位生长网状碳纳米管和/或纳米碳纤维。这两种方法目前均取得较好的分散效果，在一定程度有效改善了石墨负极材料的循环、倍率等性能。但是这些方法均是将碳纳米管和碳纤维分散在负极材料颗粒表面，与负极材料颗粒结合力弱，对其性能改善有限。同时，方法1)制备的负极材料，碳纳米管是以物理结合的方式粘附在基体表面，其结合力弱，方法2)提供的方法制备工艺复杂，难控制，催化剂需要使用硫酸或硝酸去除，但仍有可能在负极材料中残留金属杂质。

发明内容

基于此，本发明旨在提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法，其可将碳纳米管和/或碳纤维和/或石墨烯有效的与石墨体体相结合，且制备方法简单易行。

一种锂离子电池负极材料，包括石墨本体，以及亚微米或纳米级一维和/或二维炭材料，所述石墨本体为由一次颗粒聚合而成的团聚体，至少部分所述炭材料结合在一次颗粒之间，且结合在一次颗粒之间的所述炭材料至少部分伸出到石墨本体体相外。

在其中一个实施例中，所述的炭材料为碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述石墨本体的平均粒径为5～25μm，所述一次颗粒的平均粒径为1～15μm。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

提供原料一、原料二和原料三，其中原料一为天然石墨、人造石墨、碳微球和焦炭中的一种或多种，形状为球形、类球形、片状和块状的一种或多种，平均粒径为1～15μm；原料二为亚微米或纳米级一维和/或二维炭材料；原料三为沥青；

将原料一、原料二和原料三混合均匀得到混合物；

将所述混合物置于耐压加热反应容器中，搅拌，通入惰性气体以置换反应容器中的空气，升温至400℃～500℃，保温1～5h，然后升温至550℃～750℃，保温1～8h；升温和保温过程中持续搅拌；然后冷却；

在惰性气体保护下，于900～1300℃的温度环境中进行炭化；

石墨化；以及

筛分，获得由一次颗粒聚合而成的团聚体产品，其中含有亚微米或纳米级一维和/或二维炭材料。

在其中一个实施例中，所述的亚微米或纳米级一维和/或二维炭材料为碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或多种。