[发明专利]高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法，其制备方法为首先将碳酸钾与含氮磷有机物配置成混合液，之后添加到盐酸溶液中，搅拌均匀后添加鳞片石墨，混合均匀后制备出石墨混合溶液，过滤、碳化，气体表面改性得到石墨复合材料；由于利用氮磷化合物碳化后形成的氮磷物质提高其材料的导电性及其气体表面氧化留下的纳米微米孔洞提高锂离子的嵌入通道，提高其负极材料倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体的说是高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着市场对电动汽车快充、低温性能及其循环性能要求的提高，要求锂离子电池所用负极材料具有倍率性能高、循环性能好等特性，而目前商业化的锂离子电池负极材料中主要以碳材料为主，碳负极材料包括石墨，软碳和硬碳，其中就克容量而言，石墨容量最高，理论容量为372mAh/g，目前实际容量发挥高达365mAh/g以上，正是因为碳材料具容量高、嵌/脱锂可逆性好、电位平台低以及循环性能优良等优点，其作为是3C类电子产品和动力电池的主要负极材料并且得到了广泛应用。然而锂离子只能从石墨层的边缘，即平行于石墨层的方向进出石墨层结构，无法从垂直石墨层的方向进出，因此锂离子进出石墨层的扩散系数小，直接导致锂离子电池较差的倍率性能。此外，在高倍率下充放电时，当锂离子来不及扩散进入石墨层间时，锂离子集中在负极电极表面并被还原成活性极高的金属锂枝晶。金属锂枝晶容易与电解液反应，消耗电解液，使电池容量降低，严重缩短了电池的循环寿命。因此，解决石墨负极材料的倍率性能，不论从充放电速度上来说，或者是循环性能方面，都是十分必要和迫切的。目前，电动汽车领域更是对下一代锂离子电池的能量密度、快充性能、使用寿命提出了更高的要求，而通过石墨材料的包覆及其改性，在其表面包覆导电率高的氮磷材料及其对材料的纳米孔、微米孔石墨改性，以解决锂离子电池高功率的需求。而通过在石墨表面包覆导电率高、结构稳定性的材料一方面降低其副反应的发生机率，另一方面提高其锂离子的嵌出速率，同时通过氧化在其表面造孔提高锂离子的嵌出速率并提高其倍率性能。比如专利CN 101908627A公开了锂离子二次电池负极材料及其制备方法，其主要向碳化处理后的生焦中加入提高石墨化度添加剂与造孔剂，所制得的石墨负极材料具有多孔结构与较高的石墨化度，在石墨化处理之前加入一定量的造孔剂，具有纳米多孔结构，可有效改善负极材料的脱嵌锂性能和极片的吸液性能，但是由于造孔剂制备出的孔洞为微米结构，均匀性差，影响其材料的应用。

发明内容

针对目前石墨复合材料存在倍率性能差等方面的缺陷，本发明通过在在石墨表面包覆氮磷化合物提高其锂离子的嵌出速率及其导电性，并通过气体表面造孔提高材料的吸液能力及其锂离子的嵌出通道，提高其锂离子负极材料的倍率性能。

一种高倍率锂离子电池负极材料，其特征在于，所述负极材料包括内核和包覆于内核外的外壳，所述内核为鳞片石墨，所述外壳为含氮磷碳的多孔复合体。

所述鳞片石墨的质量为所述负极材料质量的85~99%。

所述外壳的厚度为200～2000nm。

一种高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法，其制备过程为如下：

1）称取（10～50）g氮磷有机物，（1～5）g十二烷基苯磺酸钠，（1～5）g碳酸钾添加到500g的有机溶剂中，搅拌均匀得到混合液（记为A溶液）；之后再添加（20～40）ml，1.0mol/L的盐酸溶液，搅拌均匀后得到混合液B；之后在混合液B中添加（100～200）g的鳞片石墨，超声分散（10～60）min后，过滤、洗涤得到改性石墨复合材料，之后在惰性气氛下以（1～5）℃/min升温速率升温到（700～900）℃，并保温（1～3）h，之后自然降温到室温，得到石墨复合材料C；

2）之后将复合材料C转移到管式炉中，通入惰性气体并升温到（300～400）℃，之后改通气体改性剂/惰性气体混合气（体积比1:1），升温到（600～900）℃，并保温（1～6）h,之后停止通入混合气，改通惰性气体，之后自然降温到室温，得到石墨复合材料D。