一种锂离子二次电池负极活性材料及制备方法、锂离子二次电池负极极片和锂离子二次电池技术

本发明专利技术提供了一种锂离子二次电池负极活性材料，包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素。该锂离子二次电池负极活性材料以碳素材料为内核，通过在其表面设置掺杂元素和无定形碳包覆层，从而具有长寿命、高容量、高倍率充放电特性和低成本的优势，该负极活性材料能够有效地提高电池充电速率，特别是低温下的快速充电能力。本发明专利技术还提供了锂离子二次电池负极活性材料的制备方法、锂离子二次电池负极极片以及锂离子二次电池。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子二次电池负极活性材料及制备方法、锂离子二次电池负极极片和锂离子二次电池
本专利技术涉及锂离子二次电池领域，特别是涉及一种锂离子二次电池负极活性材料及制备方法、锂离子二次电池负极极片和锂离子二次电池。
技术介绍
目前，电子技术飞速发展，电子产品已成为了人类生活不可缺少的必需品，但电池能量密度的进步速度还远远跟不上电子技术的发展速度，因此成为电子产品的瓶颈之一。快速充电则是近1～2年备受关注、用户体验加倍提升的热门技术方向。负极材料是锂离子电池实现快速充电的最关键材料之一，而现有常用的负极材料普通碳素材料，其大电流充放电性能低，因而影响其快速充电性能，特别是低温下快速充电的能力。因此，为了提升用户体验，提高锂离子电池的快充性能，特别是实现低温快充，有必要提供一种高能量密度、高倍率充放电特性良好，特别是低温下具有快速充电能力的锂离子电池负极材料。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术第一方面提供了一种锂离子二次电池负极活性材料，其具有高能量密度、高倍率充放电特性良好，特别是低温下具有快速充电能力，以解决现有普通碳素材料大电流充放电性能低，快速充电性能差，特别是低温下快速充电的能力不佳的问题。第一方面，本专利技术提供了一种锂离子二次电池负极活性材料，包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素。在本专利技术第一方面中，所述包覆层为双层结构或单层结构。具体地，在本专利技术第一方面中，所述包覆层为双层结构，所述包覆层包括依次形成于所述碳素材料内核表面的无定形碳层和掺杂层，其中所述掺杂层为最外层；或者所述包覆层包括依次形成于所述碳素材料内核表面的掺杂层和无定形碳层，其中所述无定形碳层为最外层，所述掺杂层包含碳元素和所述掺杂元素。所述无定形碳层的厚度为0.1～10μm，掺杂层的厚度为0.1～10μm。当所述包覆层为双层结构时，所述掺杂层的质量占整个负极活性材料的0.1～30％，所述掺杂元素的质量占所述掺杂层质量的0.1～30％。在本专利技术第一方面中，所述包覆层为单层结构，所述掺杂元素分散于无定形碳中。当所述包覆层为单层结构时，所述包覆层的质量占整个负极活性材料的0.1～30％，所述掺杂元素的质量占所述包覆层质量的0.1～20％。当所述掺杂元素与所述无定形碳同处一层，即所述包覆层为单层结构时，所述包覆层厚度为0.1～10μm。在本专利技术第一方面中，所述无定形碳为沥青、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种的混合。在本专利技术第一方面中，所述无定形碳的质量占整个负极活性材料的0.1～30％。在本专利技术第一方面中，所述掺杂元素还包括P、B、S、O、F、Cl、H元素中的一种或多种。在本专利技术第一方面中，所述碳素材料内核的材料包括天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、氧化石墨、硬碳、软碳、石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的至少一种。与现有技术相比，本专利技术第一方面提供的一种锂离子二次电池负极活性材料，以碳素材料为内核，通过在其表面设置掺杂元素和无定形碳包覆层，其中，掺杂元素可在碳层中形成晶格缺陷，不仅可以提高电子云流动性，而且还能降低反储锂应势垒、增加储锂结合位点、增加碳素材料的层间距，大大地提高了锂离子迁移速度，提升储锂空间和通道，从而有效提高材料容量和快充性能；无定形碳包覆则可大大提高负极材料的低温快充性能。因此本专利技术提供的锂离子二次电池负极活性材料不但可以提高碳素材料的容量，还能达到更快的充电速度特别是低温下的充电速度，从而解决了现有普通碳素材料大电流充放电性能低，快速充电性能差，特别是低温下快速充电的能力不佳的问题。第二方面，本专利技术提供了一种锂离子二次电池负极活性材料的制备方法，包括以下步骤：将碳素材料、无定形碳原料与离子液体进行混合，获得混合物；将所述混合物放入反应釜内，通入含掺杂元素的有机小分子与惰性载气的混合气体，在500-1200℃的温度下保温1-12小时，即制得锂离子二次电池负极活性材料，所述锂离子二次电池负极活性材料包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素，所述包覆层为单层结构，所述掺杂元素分散于无定形碳中。第三方面，本专利技术提供了一种锂离子二次电池负极活性材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳素材料与无定形碳原料混合，在400～1200℃下进行包覆及炭化处理，得到无定形碳包覆的碳素负极材料；(2)将上述所得碳素负极材料放入反应釜内，超声分散于第一混合溶液中，并加入氧化剂获得悬浊液；向所述悬浊液中加入吡咯单体得到第二混合溶液；将所述第二混合溶液于0-5℃下进行保温反应1-24h，获得黑色沉淀物，将所述黑色沉淀物洗涤至中性并进行干燥；所述第一混合溶液由表面活性剂溶解在酸溶液中制得，所述表面活性剂与所述酸溶液的摩尔比为1:2～1:10，所添加的氧化剂与所述吡咯单体摩尔比为1:0.5～1:5；(3)将干燥后的黑色沉淀物放置在反应釜内，通入含掺杂元素的氢化物与惰性载气的混合气体，在500-1200℃的温度下保温1-12小时，即制得锂离子二次电池负极活性材料，所述锂离子二次电池负极活性材料包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素，所述包覆层为双层结构，所述包覆层包括依次形成于所述碳素材料内核表面的无定形碳层和掺杂层，所述掺杂层包含碳元素和所述掺杂元素。第四方面，本专利技术提供了一种锂离子二次电池负极活性材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳素材料放入反应釜内，超声分散于第一混合溶液中，并加入氧化剂获得悬浊液；向所述悬浊液中加入吡咯单体得到第二混合溶液；将所述第二混合溶液于0-5℃下进行保温反应1-24h，获得黑色沉淀物，将所述黑色沉淀物洗涤至中性并进行干燥；所述第一混合溶液由表面活性剂溶解在酸溶液中制得，所述表面活性剂与所述酸溶液的摩尔比为1:2～1:10，所添加的氧化剂与所述吡咯单体摩尔比为1:0.5～1:5；(2)将干燥后的黑色沉淀物放置在反应釜内，通入含掺杂元素的氢化物与惰性载气的混合气体，在500-1200℃的温度下保温1-12小时，得到掺杂层包覆的负极材料；(3)将上述所得掺杂层包覆的负极材料与无定形碳原料混合，在400～1200℃下进行包覆及炭化处理，即制得锂离子二次电池负极活性材料，所述锂离子二次电池负极活性材料包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素，所述包覆层为双层结构，所述包覆层包括依次形成于所述碳素材料内核表面的掺杂层和无定形碳层，所述掺杂层包含碳元素和所述掺杂元素。本专利技术上述提供的锂离子二次电池负极活性材料制备方法，工艺简单，成本低廉，适于扩大化生产。第五方面，本专利技术提供了一种锂离子二次电池负极极片，包括集流体和涂覆在所述集流体上的锂离子二次电池负极活性材料，所述锂离子二次电池负极活性材料如本专利技术第一方面所述。本专利技术第五方面提供的一种锂离子二次电池负极极片容量高，使用寿命长且快充性能良好。第六方面，本专利技术提供了一种锂离子二次电池，所述锂离子二次电池由锂离子二次电池负极极片、正极极片、隔膜、非水电解液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述负极活性材料包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述负极活性材料包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素。2.如权利要求1所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述包覆层为双层结构，所述包覆层包括依次形成于所述碳素材料内核表面的无定形碳层和掺杂层，所述掺杂层包含碳元素和所述掺杂元素，其中，所述掺杂层为最外层。3.如权利要求1所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述包覆层为双层结构，所述包覆层包括依次形成于所述碳素材料内核表面的掺杂层和无定形碳层，所述掺杂层包含碳元素和所述掺杂元素，其中所述无定形碳层为最外层。4.如权利要求2或3所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，当所述包覆层为双层结构时，所述掺杂层的质量占整个负极活性材料的0.1～30％，所述掺杂元素的质量占所述掺杂层质量的0.1～30％。5.如权利要求1所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述包覆层为单层结构，所述掺杂元素分散于所述无定形碳中。6.如权利要求5所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述包覆层的质量占整个负极活性材料的0.1～30％，所述掺杂元素的质量占所述包覆层质量的0.1～20％。7.如权利要求1-6任一项所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述无定形碳为沥青、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种的混合。8.如权利要求1-7任一项所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述无定形碳的质量占整个负极活性材料的0.1～30％。9.如权利要求1-8任一项所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述掺杂元素还包括P、B、S、O、F、Cl、H元素中的一种或多种。10.如权利要求1-9任一项所述的锂离子二次电池负极活性材料，其特征在于，所述碳素材料内核的材料包括天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、氧化石墨、硬碳、软碳、石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的至少一种。11.一种锂离子二次电池负极活性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳素材料、无定形碳原料与离子液体进行混合，获得混合物；将所述混合物放入反应釜内，通入含掺杂元素的有机小分子与惰性载气的混合气体，在500-1200℃的温度下保温1-12小时，即制得锂离子二次电池负极活性材料，所述锂离子二次电池负极活性材料包括碳素材料内核以及形成在所述碳素材料内核表面的包覆层，所述包覆层的材料包括无定形碳和掺杂元素，所述掺杂元素包括氮元素，所述包覆层为单层结构，所述掺杂元素分散于无定形碳中。12.一种锂离子二次电池负极活性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁家华，夏圣安，谢封超，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44