[发明专利]一种碳基复合负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种碳基复合负极材料及其制备方法和锂离子电池。所述碳基复合负极材料包括复合材料核心和包覆在复合材料核心表面的碳包覆层；所述复合材料核心包括第一组分和第二组分，所述第一组分嵌入在第二组分中；所述第一组分由纳米活性物质、第一碳粘结剂和天然石墨组成；所述第二组分由人造石墨和第二碳粘结剂组成。所述制备方法包括：1)制备第一组分；2)制备第一组分嵌入在第二组分中的复合物前驱体；3)进行碳包覆和烧结，得到所述碳基复合负极材料。本发明提供的负极材料因为第一组分和第二组分形成的复合结构，以及天然石墨与人造石墨间的协同作用，电化学性能优良。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，涉及一种负极材料，尤其涉及一种碳基复合负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

由于锂离子电池具有工作电压高、循环使用寿命长、自放电小、无记忆效应、环境友好等诸多优点，其被广泛应用在便携式3C电子产品、动力装置和储能设备等领域中。但随着科技的发展以及锂离子电池应用范围的扩大，对锂离子电池负极材料的性能要求也随之越来越高。目前，得以商业化应用的锂离子电池主要使用石墨类负极材料，但其理论比容量仅为372mAh/g，存在克比容量较低以及倍率性能上的缺点。在未来锂离子电池对高能量密度的和功率特性等性能要求面前，单纯性的石墨类负极材料的局限性已愈发明显。为此，人们不断致力于新型高比容量的锂离子电池负极电极材料的研发工作。

研究发现，一些锂离子电池可用的活性物质，例如Si，Sn，Mg等活性金属及其金属氧化物或金属合金化合物有着较高的比容量，然而，这些材料在脱嵌锂过程中一般都具有体积变化大、循环寿命较差的缺点。虽然活性物质的纳米化处理可以在一定程度上缓解膨胀提高循环寿命，但仍需进一步的优化。

目前，为克服上述活性物质的缺点，常使用的方法是将活性物质进行纳米化、并与碳材料进行复合。

CN103708437A公开了一种锂离子电池软碳负极材料、其制备方法，包括以下步骤：以软碳为原料、依次经预烧、纳米活性物质的喷涂及碳包覆过程而制得。虽然该方法提高了材料的容量和首次库伦效率，由于纳米活性活性物质体积膨胀较大，无法进一步提升材料容量和效率。

CN104091952B公开了一种新型锂离子电池负极材料及其制备方法，通过在纳米SiO₂表面包覆一层碳，并与石墨烯进行复合后制备了纳米结构的碳包覆SiO_2/石墨烯复合物电极材料，避免了SiO₂的导电性的缺点。但是该发明得到的复合负极材料的首次效率低下，且倍率性能欠佳。

CN108110228A公开了一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法。其包括无定型二氧化硅基体、多个纳米硅核、碳包覆层和LiF包覆层；多个纳米硅核嵌入到无定型二氧化硅基体内，碳包覆层包覆在无定型二氧化硅基体外，LiF包覆层包覆在碳包覆层外。本发明还提出了一种所述锂离子电池硅基负极材料的制备方法，包括：将纳米硅粉加入碱溶液中，加入碳源，蒸干溶液后干燥处理得到中间物料；将中间物料在惰性气体的保护下烧结，然后均匀分散在醋酸锂溶液中，加入氟化铵溶液，水热反应后洗涤、过滤、干燥。该方法得到的负极材料电化学性能有待进一步提高。

可见，上述方法虽然采用碳材料对活性物质进行包覆处理，但可对某些性能起到较大程度的改善作用。但往往存在单纯的包覆层有着包覆不完全，或者是包覆层结合强度低的问题。同时，充放电过程中活性物质的体积变化所产生的应力变化对负极材料结构的碳包覆层产生冲击和破坏，当碳包覆层脱落后，电解液将进入负极材料的内部，加速与电解液的反应。在一定程度上依然存在电池的首次效率、极片膨胀大、结构易坍塌，进而导致循环性能、倍率性能以及安全性变差等缺点。

因此，研发一种容量高、首次充放电效率高、倍率性能佳，结构稳定好、长循环的复合负极材料是锂离子电池领域的技术难题。

发明内容