[发明专利]一种锂离子电池用核壳结构负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用核壳结构负极材料。该负极材料制备时，先将钛酸锂粉末球磨成纳米级钛酸锂颗粒，将纳米硅沉积在纳米级钛酸锂颗粒上，得到负极材料前驱体一；制备氧化石墨烯纳米片悬浮液；将负极材料前驱体一加入到氧化石墨烯纳米片悬浮液中，高速分散后进行雾化干燥，得到负极材料前驱体二；将负极材料前驱体二与有机裂解碳源进行均相复合，再高温烧结得到核壳结构的负极材料。本发明所述负极材料的内核为纳米硅、纳米钛酸锂和氧化石墨烯纳米片，附着有纳米硅的钛酸锂颗粒均匀分布在氧化石墨烯纳米片之间，外壳为有机裂解碳层；具有高容量、高倍率、低膨胀和优异的循环性能，而且制备工艺简单，绿色无污染，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用核壳结构负极材料及其制备方法。

背景技术

在当今环境污染，能源紧缺的背景下，锂离子电池因其清洁无污染、高效可循环的的特质，是目前新能源汽车主要的动力电源。锂离子电池中的电极材料对电池性能有决定性的影响，其中负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。

硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(<0.5V)，且硅的电压平台略高于氧化石墨烯纳米片，在充电时难引起表面析锂，安全性能更好。然而，硅在充放电时高达300％的体积变化，使其在充放电循环中承受很大的机械作用力并逐渐粉化坍塌，与集流体失去电接触，最终导致电池失效，表现出极差的循环性能。钛酸锂是一种“零应变”材料，锂离子在钛酸锂中的脱嵌是可逆的，而且锂离子在嵌入或脱出钛酸锂的过程中，其晶型不发生变化，体积变化小于1％，从而使其具有优良的循环性能和平稳的放电电压。但钛酸锂材料理论比容量仅175mAh/g，实际使用时的比容量更低，且平台电压高等。

发明内容

为了解决上述硅和钛酸锂作为电极材料的问题，本发明提供一种锂离子电池用核壳结构负极材料及其制备方法，本发明所述锂离子电池用核壳结构负极材料，将纳米硅、纳米钛酸锂和氧化石墨烯纳米片的优势相互结合，纳米硅提升整体比容量，并以CVD沉积的方式附着在纳米钛酸锂的表面，纳米钛酸锂既作为纳米硅的载体，承受并缓冲纳米硅的体积膨胀，还能提升负极材料的离子传送速率；制备工艺简单，绿色无污染，适合大规模生产。

为了实现上述的目的，本发明的技术方案如下：

本发明目的在于提供一种锂离子电池用核壳结构负极材料，其特征在于：所述负极材料为核壳结构，内核为纳米硅、纳米钛酸锂和氧化石墨烯纳米片，其中纳米硅附着在钛酸锂颗粒的表面，附着有纳米硅的钛酸锂颗粒均匀分布在氧化石墨烯纳米片之间，外壳为有机裂解碳层；所述纳米硅的中值粒径为5～100nm；所述纳米钛酸锂的中值粒径为1～500nm；所述氧化石墨烯纳米片的厚度为1～100nm；所述有机裂解层的厚度为0.1～5μm。

进一步地，所述负极材料中：纳米硅的含量为5wt％～40wt％，钛酸锂的含量为5wt％～40wt％，氧化石墨烯纳米片的含量为1wt％～20wt％，有机裂解碳层的含量为10wt％～60wt％；所述负极材料的中值粒径为1～30μm；所述负极材料的比表面积为1～30m²/g；所述负极材料的粉体压实密度为0.1～2.5g/cm³，优选0.5～2g/cm³。

本发明的另一目的在于提供一种锂离子电池用核壳结构负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛酸锂粉末置于球磨机中球磨，制得纳米级钛酸锂颗粒；

(2)利用CVD沉积法，将纳米硅沉积在步骤(1)制得的纳米级钛酸锂颗粒上，得到负极材料前驱体一；

(3)制备氧化石墨烯纳米片悬浮液；

(4)将步骤(2)制得的负极材料前驱体一加入到步骤(3)制得的氧化石墨烯纳米片悬浮液中，经高速分散后得到复合浆料，再进行雾化干燥，得到负极材料前驱体二；