[发明专利]一种复合负极材料、其制备方法及锂离子电池

说明书

本发明涉及一种复合负极材料、其制备方法及锂离子电池。所述复合负极材料包括由第一碳组分小颗粒镶嵌在第二碳组分框架载体中形成的镶嵌结构碳质材料；其中，第一碳组分是由小颗粒前驱体(生焦和/或熟焦和/或碳微球)转变而来的，第二碳组分框架载体是由粘结剂转变而来的。本发明的复合负极材料兼备“镶嵌式”结构和“梯度式晶型”结构，不同形貌的小颗粒镶嵌在较厚的框架载体内部形成一个更大的颗粒，内部镶嵌的小颗粒为晶型最好的石墨结构，框架载体为晶型一般的石墨结构，最外层还可以包覆晶型最差的无定形碳结构。本发明的复合负极材料具有结构稳定、取向性好、膨胀低、高倍率性能、优异的吸液性能和循环性能，能够满足应用中的各种需求。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，涉及一种复合负极材料、其制备方法及锂离子电池，尤其涉及一种复合负极材料、其制备方法及采用该复合负极材料制备的负极材料及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池作为一种工艺成熟的电化学电源体系已经应用于人们日常生活的各个方面，但其性能仍然难以满足应用中的各种需求。当前应用最广泛、性能最佳的锂离子电池负极材料当属石墨类材料，其具有良好的层状结构、平稳的放电平台、脱嵌锂过程中较小的体积变化及无电压滞后现象。但从另一个角度来看，石墨类负极材料具有容量上限值，难以突破；与电解液的相容性欠佳，导致电池循环稳定性较差；且大电流充放电性能差，倍率性能有待提升。所以，研发人员针对石墨作为锂离子电池负极材料进行了几十年的改性研究，比较成功的改性方法如在石墨基体表面氧化或卤化，表面包覆无定形碳、金属及其氧化物、聚合物等，或者掺杂金属或非金属元素，还可以通过同时改造石墨基体的组成和表面状态来达到提升石墨负极综合性能的目的。

锂离子电池倍率充放电的差异取决于材料中锂离子的扩散速率和电子的传导快慢。对石墨材料，其本身的电导性较好，电子的传导速率基本都在同一个数量级；但对锂离子的传导速率却差别很大，主要受颗粒的大小、粒度分布、取向性、表面状态等因素的影响。例如较小的颗粒和更加集中的粒度分布，导致其锂离子扩散路径较大大缩短，且降低锂离子的浓差极化，更有利于电池快速充放电和循环稳定性；又例如颗粒表面无定形碳的存在可以有效吸附电解液，更有利于锂离子的扩散，尤其低温下的充电性能；所以选择合适的工艺来控制材料的组成和结构，并获得负极材料的综合性能提升，是本领域一个亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合负极材料、其制备方法及采用该复合负极材料制得的负极材料和锂离子电池。本发明的复合负极材料具有结构稳定、取向性好、膨胀低、高倍率性能、优异的吸液性能和循环性能。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种复合负极材料，所述复合负极材料包括由第一碳组分小颗粒镶嵌在第二碳组分框架载体中形成的镶嵌结构碳质材料；

其中，第一碳组分小颗粒是由小颗粒前驱体转变而来的，所述小颗粒前驱体为生焦和/或熟焦和/或碳微球，即生焦、熟焦或碳微球中的任意1种或至少2种的组合；第二碳组分框架载体是由粘结剂转变而来的。

本发明的复合负极材料中，所述“生焦、熟焦或碳微球中的至少2种的组合”，例如：生焦和熟焦的组合，熟焦和碳微球的组合，生焦、熟焦和碳微球的组合等。

本发明的复合负极材料中，所述第一碳组分小颗粒和第二碳组分框架载体的石墨晶型结构依次变差。

本发明的复合负极材料兼备“镶嵌式”结构和“梯度式晶型”结构，所述“镶嵌式”结构指：不同形貌的小颗粒(即第一碳组分小颗粒)镶嵌在较厚的框架载体(即第二碳组分框架载体)内部形成一个更大的颗粒(即镶嵌结构碳质材料)、稳定均匀的复合体系，其材料结构不同于传统负极材料进行表面包覆形成的“核壳”结构。所述“梯度式晶型”结构指：内部镶嵌的小颗粒(即第一碳组分小颗粒)为晶型最好的石墨结构，所述框架载体(即第二碳组分框架载体)为晶型一般的石墨结构。由此可知，所述第一碳组分小颗粒和第二碳组分框架载体的石墨晶型结构依次变差。