[发明专利]增强型自支撑锂离子电池负极材料及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种增强型自支撑锂离子电池的负极材料、制备工艺及基于该负极材料的锂离子电池。所述增强型自支撑锂离子电池负极材料，包括具有取向排列的碳纳米纤维和负载于纳米纤维的活性组分，具有活性组分含量高(≥20％)、比容量高、轻质化、机械性能好等特性。基于该负极材料的锂电池负极极片无需添加导电剂、粘接剂和集流体，可显著提高锂电池的能量密度。

技术领域

本发明涉及一种增强型自支撑锂离子电池负极材料及其制备工艺，属于锂离子电池电极材料技术领域。

背景技术

锂电池因其工作电压范围大、循环寿命次数高、充电速度快、放电功率高、没有记忆效应、质量和体积能量密度高和绿色环保等优点，在消费电子类、电动汽车、电动自行车等领域显示出强有力的竞争力，目前已成为应用范围最广的二次电池之一。2017年，工业和信息化部等联合印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》。该方案中明确指出，到 2020年新型锂离子动力电池单体比能量超过300Wh/Kg。但是，目前商业化的锂离子电池负极材料主要为碳材料，理论比容量仅为372mAh/g，根本无法实现未来对高能量密度锂电池的需求。因此，开发新型负极材料已成为当前关注的热点。

以硅为代表的非碳负极材料，凭借较高的理论比容量(Si:4200mA·h·g^-1)，而受到各国科研人员的关注，成为了新型负极材料的研究热点。静电纺丝作为一种简便、高效的纳米纤维加工工艺，广泛用于金属、非金属纳米纤维的制备，所得材料具有比表面积大、孔隙率高等特点，作为“缓冲骨架”可有效缓解硅等非碳负极材料体积效应带来的性能衰减。2012年，授权号为CN101527357B的中国发明专利公开了一种纳米硅无定型碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法，其通过静电纺丝的方法制备了纳米硅@碳核壳结构。该方法显著提高了材料硅的含量(10％～50％)，但采用单轴静电纺丝工艺难以将无定型碳层完全包覆硅纳米颗粒，材料的首次库伦效率低，循环性能不理想。随后，申请公布号为 CN106571451A的中国专利公布了一种采用同轴静电纺丝工艺制备的硅碳负极材料。该材料的核壳结构保持完整，库伦效率得以明显提高，循环寿命长。但同轴静电工艺复杂，纺丝过程难以控制，工业化成本高，不利于大规模推广。

通常情况下静电纺丝得到的是无规则的无纺纳米纤维毡(布)，其在后续的预氧化和碳化处理过程中容易产生缺陷、粘丝现象(Zussman E.,Chen X.,Ding W.,etal.Mechanical and structure characterization of electrospun PAN-derivedcarbon nanofibers[J].Carbon,2005, 43(10):2175-2185)，进而导致所得自支撑负极材料的机械强度无法满足电池组装过程对集流体的需求(Zhang J.,Lu B.,Song Y.,etal.Diffusion induced stress in layered Li-ion battery electrode plates[J].Journal of Power Sources,2012,209:220-227)。因此，现有自支撑负极材料仅从概念上实现了对铜、铝等金属集流体的取代，实际应用中尚无法真正取而代之。

综上，开发活性组分含量高、电化学性能优异、机械性能良好且制备过程简单可控，易于规模化生产的自支撑负极材料属于该领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的之一在于提供一种增强型自支撑锂离子电池负极材料。

一种锂离子电池负极材料，包括取向排列的碳纳米纤维和活性组分。优选所述活性组分负载于所述碳纳米纤维的内部或外部。

上述技术方案中，所述负极材料中取向排列的碳纳米纤维与平面X轴的夹角为0°～180°，优选地为0°～135°。

上述技术方案中，所述负极材料中取向排列的碳纳米纤维的取向为单取向，优选为双取向或三取向。