[发明专利]负极活性物质及其制备方法、负极材料、负极片和电池

说明书

本申请公开了负极活性物质及其制备方法、负极片和电池。该负极活性物质包括作为负极活性物质主体的非晶五氧化二钒。根据本申请实施例的负极活性物质，至少具有如下有益效果：晶体V₂O₅中的V₂O₅结构单元具有层状结构可以为插层反应提供合适的层间距，锂离子嵌入后不会改变材料本身的层状结构，并且嵌入和脱出过程是完全可逆的，使得锂离子电池具有高输出电压。而申请人意外地发现，在将其制备成非晶材料后，V₂O₅的层状结构仍然存在，形成的进一步开放的锂离子扩散通道能够允许更多的锂离子可逆嵌入和脱出，从而具有更高的比容量；非晶V₂O₅的无晶体界面的特点能使其在充放电过程中的结构更加稳定，循环寿命大大延长。

技术领域

本申请涉及锂离子电池领域，尤其是涉及负极活性物质及其制备方法、负极材料、负极片和电池。

背景技术

锂离子电池的主要结构包括正极、负极、电解质和隔膜等，正负极一般均为可逆嵌入或脱出锂离子的化合物材料。在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解质和隔膜嵌入到负极材料中，使正极活性物质处于贫锂状态；在电池放电时，锂离子从负极材料中脱出，经电解质和隔膜重新嵌入到正极材料中，使其处于富锂状态。为了保持电荷的平衡，充放电过程中有相同数目的电子经外电路与锂离子迁移相协同，在正负极之间来回移动，使正负极发生相应的氧化还原反应。而且，锂离子在正负极中有相对固定的空间位置，因此，锂离子电池的可逆性很好，保证了电池的寿命和安全性。

然而，随着便携式电子设备和电动汽车的广泛普及，人们对于锂离子电池性能的要求越来越高。负极是锂离子电池储存锂的载体，不同负极材料的选择会使锂离子电池的首次充放电效率、循环性能等发生改变从而直接影响锂离子电池的整体性能。当前对于负极活性物质的研究主要集中在晶体材料，例如石墨负极、钛酸锂负极、硅负极等，但最近几年的研究表明，晶体负极活性物质的电化学性能已经趋于极限，很难再有进一步的提升。商业电池中使用的晶体石墨负极活性物质理论比容量较低，只有372mAh/g；而被认为是下一代商用负极活性物质的晶体硅负极，虽然具有4200mAh/g的高比容量，但循环过程中巨大的体积变化(～400％)会产生一系列的问题，诸如容量下降、结构坍塌、电极失效等，导致其循环稳定性无法保证，难以大规模推广应用。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种比容量和循环稳定性良好的负极活性物质及其制备方法、负极材料、负极片和电池。

本申请的第一方面，提供负极活性物质，该负极活性物质包括作为负极活性物质主体的非晶五氧化二钒。

根据本申请实施例的负极活性物质，至少具有如下有益效果：

晶体V₂O₅中的V₂O₅结构单元具有层状结构可以为插层反应提供合适的层间距，锂离子嵌入后不会改变材料本身的层状结构，并且嵌入和脱出过程是完全可逆的，使得锂离子电池具有高输出电压。而申请人意外地发现，在将其制备成非晶材料后，V₂O₅的层状结构仍然存在，形成的进一步开放的锂离子扩散通道能够允许更多的锂离子可逆嵌入和脱出，从而具有更高的比容量；非晶V₂O₅的无晶体界面的特点能使其在充放电过程中的结构更加稳定，循环寿命大大延长。

其中，负极活性物质主体是指基于负极活性物质的总质量，具有至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％以上或更高含量的非晶五氧化二钒。