[发明专利]一种锂离子电池用MEG/Si/C复合负极材料及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201910745336.3 申请日: 2019-08-13
公开(公告)号: CN110429265B 公开(公告)日: 2021-02-02
发明(设计)人: 陈建;刘平;李琳;龚勇;彭川;赖世毅 申请(专利权)人: 四川轻化工大学
主分类号: H01M4/36 分类号: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
代理公司: 重庆博凯知识产权代理有限公司 50212 代理人: 李媛;张先芸
地址: 643000 四川*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 一种 锂离子电池 meg si 复合 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MEG/Si/C复合负极材料及其制备方法,该复合负极材料包括以下质量分数的组分:纳米硅粉2~20%、表面活性剂1%~3%和碳源10~30%,余量为微膨胀石墨。采用化学氧化插层法和低温热膨胀技术制备微膨胀石墨,然后通过机械球磨和高温碳化法制备锂离子电池用微膨胀石墨/硅/碳(MEG/Si/C)复合负极材料。本发明不仅有效的缓解了石墨层嵌/脱锂的体积膨胀和收缩效应,还增加锂嵌/脱通道,有利于大电流充放电,保证负极材料适当的体积能量密度和库伦效率,该负极材料首次放电比容量可以达到857.9 mAh/g,具有比容量大、良好的倍率性能和电极的循环稳定,本发明制备方法工艺流程简单,原料简单易得,成本低,易于规模化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及一种锂离子电池用MEG/Si/C复合负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因其具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、无记忆效应、安全可靠以及环境友好等优点,被认为是能量储存和转化最理想的工具,在能量存储和电动汽车领域具有广阔的应用前景,成为新能源行业的主要研究热点之一。但是,目前锂离子电池的内部阻抗较高,工作电压变化较大,成本较高,必须要有特殊的保护电路,并且用于纯电动汽车领域锂离子电池的功率密度和充放电比容量都有待进一步提高。

目前锂电池负极材料应用最广泛的还是石墨,但是其理论容量偏低只有372mAh/g,难以满足高能量密度的需求。硅基负极材料由于理论容量(4200mAh/g)是当前商用石墨负极(372mAh/g)的十倍以上、放电电位低、储量丰富等优点被认为是最具潜力的锂离子电池负极材料之一,受到了材料界和产业界的广泛关注与研究。但是,硅在锂离子嵌(脱)锂的过程中伴随着严重的体积膨胀效应(﹥300%)引起活性物质粉化,进而与集流体和导电剂之间失去接触,导致电池库伦效率降低,循环性能变差,容量迅速衰减,在很大程度上的限制了硅基材料的商业化进程。国内外石墨硅负极材料逐步量产,特斯拉model 3所使用的锂离子电池石墨硅负极材料引入了10%的硅材料,稳定比容量达到450mAh/g,能量密度达到300Wh/Kg。但是,由于硅在嵌/脱的过程中的体积效应,其首次库伦效率偏低,首次不可逆容量较大,大倍率充放电性能和循环寿命仍有待改善。同时,由于锂离子从石墨负极嵌入和脱出时会引起石墨晶胞体积约10%的膨胀和收缩,所以石墨作为基体也存在首次充放电效率低和循环稳定性差的问题。

为了解决上述问题,许多研究学者做了大量的研究。如发明专利CN201310683767.4公开了一种锂离子电池硅-硅氧化物-碳复合负极材料的制备方法,将硅氧化物、硅和石墨球磨混合后再与沥青混合,高温热处理即制得锂离子电池硅-硅氧化物-碳复合负极材料;发明专利CN201811242706.3公开了一种锂电池用高稳定性硅碳负极材料及其制备方法,所述复合材料为三层包覆结构;复合材料内层为基底碳材料,中间层由纳米硅、碳纳米管、软碳和/或硬碳组成,复合材料外层是沥青烧结后形成的软碳层,通过构筑多层结构,为硅的体积膨胀提供多次有效缓冲,通过在纳米硅周围构筑微导电网络,改善硅导电性差的缺点,同时设计有效保护层,避免硅与电解液的直接接触;发明专利CN201710730146.5公开了一种高稳定的锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法,硅碳复合材料是在单质硅表面包覆一层有机物裂解碳形成的,占硅碳负极材料含量的5~50w%,N、S共掺杂多孔碳材料占硅碳负极材料含量的40~85w%,最外层为石墨烯,占硅碳负极材料含量的0.5~10w%。单质硅表面包覆一层有机物裂解碳,该碳层可有效缓解单质硅的体积膨胀。但是,上述方法实施难度较大,可控性较差,操作复杂,成本高,并且没有为纳米硅留出足够的膨胀空间,复合材料中的硅组分极易破碎,导致容量衰退,循环性能变差,导致商业可行性较低。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的在于提供一种锂离子电池用MEG/Si/C复合负极材料,解决现有硅负极材料存在容量低、电极的循环稳定性差和锂离子嵌入和脱出速率低等问题。

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