锂离子电池用负极复合材料及锂离子电池制造技术

本发明专利技术涉及电池领域，尤其涉及一种锂离子电池用负极复合材料及锂离子电池。锂离子电池用负极复合材料，包括：分散体及包覆于所述分散体外表面的中间相炭微球；所述分散体包括碳材料及分布于所述碳材料中的纳米活性材料。该负极复合材料是将纳米活性材料弥散分布在碳材料中，可防止活性材料在充放电过程中发生电化学融结，提高循环性能；另外，经过中间相炭微球壳包覆，既可防止活性材料与电解液接触，又提供了良好的锂离子脱嵌通道，提高了材料的首次效率及循环性能。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池用负极复合材料及锂离子电池
本专利技术涉及电池领域，尤其涉及一种锂离子电池用负极复合材料及锂离子电池。
技术介绍
随着高能量密度锂离子电池需求的日益紧迫，开发高比容量、长寿命、高安全性的电池负极材料越来越受到重视。在诸多的负极材料中，Si、Ge、Sn、Al、Sb、Bi等负极材料具有高的理论比容量，备受研究者的青睐。比如Si的比容量形成Li15Si4时为3590mAh/g，形成Li22Si4时则为4200mAh/g，大约是石墨的十倍(372mAh/g)。另外，如Si负极材料的可逆脱嵌锂电位(～0.5Vvs.Li/Li+)介于石墨(～0.05Vvs.Li/Li+)和Li4Ti5O12(1.5Vvs.Li/Li+)之间，既不会像石墨那样因为电位过低而引起安全隐患，也不会像Li4Ti5O12那样由于电位过高而带来能量损失。然而，高容量负极材料在嵌锂过程中会发生体积膨胀(如Si形成Li15Si4时的体积膨胀率约为370％)，这样不仅会使材料粉碎失效，也使得活性物质与集流板脱离接触，从而导致电池容量大幅下降。这些问题阻碍了高容量负极材料的商业化应用。相关研究表明，引起高容量负极材料失效的因素有多个。首先，锂的嵌入会导致负极材料体积膨胀，从而引发极大的应力；其次，体积膨胀会使得负极发生剧烈变形，破坏整个电极的完整性；再次，负极与电解液之间会产生SEI膜，而SEI膜的稳定性对电池的循环寿命和库伦效率有极大的影响；最后，负极的体积膨胀会使SEI破裂，导致新鲜的负极材料表面暴露于电解液中，使SEI膜不断增厚。这样，负极材料颗粒就会被绝缘的SEI膜隔开，导致电化学活性下降。因此，要实现开发高能量密度和高功率密度的电池负极材料，首先需要解决上述技术问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种锂离子电池用负极复合材料，包括：分散体及包覆于所述分散体表面的中间相炭微球；所述分散体包括碳材料及分布于所述碳材料中的纳米活性材料。本专利技术采用中间相炭微球对分散体进行包覆，既可防止活性材料与电解液接触，又提供了良好的锂离子脱嵌通道，提高了材料的首次效率及循环性能。另一方面，上述方法有利于减小负极复合材料的比表面积，提高材料的首次效率及循环性能。本专利技术的分散体包括碳材料及弥散分布于所述碳材料中的纳米活性材料，该结构可以防止纳米活性材料在充放电过程中发生电化学融结，进而提高材料的循环性能。本专利技术对分散体的制备方法不作限制，可以采用现有技术中如超声分散、球磨等方式进行，本专利技术优选高能球磨，可以使纳米活性材料均匀的弥散分布于所述碳材料中。作为一种实施方式，所述负极复合材料的平均粒径为10～50微米。优选地，所述负极复合材料的平均粒径为10～30微米。作为一种实施方式，所述纳米活性材料的质量为所述负极复合材料质量的2～60％。优选地，所述纳米活性材料的质量为所述负极复合材料质量的5～25％。作为一种实施方式，所述纳米活性材料的平均粒径为5～500纳米。优选地，所述纳米活性材料的平均粒径为30～100纳米。作为一种实施方式，所述纳米活性材料选自硅、硅合金及一氧化硅中至少一种。作为一种实施方式，所述碳材料选自人造石墨、天然石墨、膨胀石墨、中间相炭微球、针状焦、石油焦、沥青焦、石墨烯、软碳、硬碳、碳纤维及碳纳米管中至少一种。作为一种实施方式，所述纳米活性材料与碳材料的质量比为(4:1)～(1:40)。优选地，所述纳米活性材料与碳材料的质量比为(1:1)～(1:10)。作为一种实施方式，所述分散体与中间相炭微球的质量比为(1:1)～(1:50)。优选地，所述分散体与中间相炭微球的质量比为(1:1.5)～(1:4)。作为一种实施方式，包覆于所述分散体外表面的中间相炭微球包括以下步骤制备而成：提供一种中间相炭微球的原料，将所述中间相炭微球的原料与分散体混合，混合后加热使中间相炭微球的原料发生聚合反应得到前躯体；再将上述前躯体在惰性气氛中进行碳化处理。本专利技术采用聚合反应即热缩聚液相炭化处理，使中间相炭微球原料的分子可在每个分散体颗粒上形核生长，对其进行均匀包覆；尤其本专利技术通过热缩聚与高度分散纳米活性材料的结合方式，使包覆更加均匀。此外，本专利技术的包覆层具有中间相炭微球结构，利于锂离子传输，可提高倍率性能；更进一步，本专利技术通过改变热缩聚温度和时间，可方便地调节包覆层的厚度。通过升高温度或延长时间，可使包覆层厚度增加，从而使纳米活性材料与碳材料的分散体得到更充分的包覆，这有利于提高材料的循环性能，但太厚的包覆层也会阻碍锂离子与纳米活性材料反应。所以，本专利技术通过优化热缩聚温度和时间来调控包覆层的厚度，以实现性能最优。本专利技术优选将分散体加入到中间相炭微球原料中，高速搅拌，使其分散均匀；再对中间相炭微球原料进行高温聚合，使中间相炭微球原料中的稠环芳烃分子在分散体表面聚合，形成中间相炭微球包覆壳层。最后对此前躯体进行碳化，得到中间相炭微球壳包覆分散体的复合材料。高容量活性材料在碳材料中弥散分布或均匀分布，可以防止纳米活性材料在炭微球热缩聚包覆过程中团聚。由于该复合材料是将纳米活性材料弥散分布在碳材料中，故可防止活性材料在充放电过程中发生电化学融结，提高循环性能。另外，经过中间相炭微球壳包覆，既可防止活性材料与电解液接触，又提供了良好的锂离子脱嵌通道，提高了材料的首次效率及循环性能。作为一种实施方式，所述混合的温度控制为150～320℃。优选地，所述混合的温度控制为200～300℃。作为一种实施方式，所述混合的速度控制为400～1200r/min。优选地，所述混合的速度控制为800～1200r/min。作为一种实施方式，所述混合的时间控制为0.5～3h。优选地，所述混合的时间控制为1～2h。作为一种实施方式，所述聚合反应的温度控制为350～550℃。优选地，所述聚合反应的温度控制为350～450℃。作为一种实施方式，所述聚合反应的时间控制为1～10h。优选地，所述聚合反应的时间控制为3～5h。作为一种实施方式，所述碳化处理的温度控制为800～1100℃。优选地，所述碳化处理的温度控制为900～1100℃。作为一种实施方式，所述碳化处理的升温速度控制为2～25℃/min。优选地，所述碳化处理的升温速度控制为5～20℃/min。作为一种实施方式，所述碳化处理的时间控制为0.5～10h。优选地，所述碳化处理的时间控制为2～4h。作为一种实施方式，所述惰性气氛选自氮气、氩气及氦气中至少一种。作为一种实施方式，所述中间相炭微球的原料选自煤沥青、煤焦油、石油渣油沥青及萘沥青中至少一种。作为一种实施方式，将所述中间相炭微球的原料与筛分后的分散体混合。作为一种实施方式，所述筛分的目数为325～1000目。作为一种实施方式，碳化处理后进行筛分。作为一种实施方式，所述筛分的目数为325～400目。作为一种实施方式，提供一种碳材料与纳米活性材料，将碳材料与纳米活性材料机械混合得到分散体。本专利技术将纳米活性材料通过机械混合分布于碳材料中，优选通过高能球磨弥散分布于碳材料中，形成分散体，使纳米活性材料均匀分布于碳材料中。纳米活性材料弥散分布在碳材料中，可防止活性材料在充放电过程中发生电化学融结，提高循环性能。本专利技术高能球磨主要指行星球磨、搅拌球磨以及振动球磨。作为一种实施方式，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂离子电池用负极复合材料，包括：分散体及包覆于所述分散体表面的中间相炭微球；所述分散体包括碳材料及分布于所述碳材料中的纳米活性材料。

【技术特征摘要】
1.锂离子电池用负极复合材料，包括：分散体及包覆于所述分散体表面的中间相炭微球；所述分散体包括碳材料及分布于所述碳材料中的纳米活性材料。2.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：所述负极复合材料的平均粒径为10～50微米。3.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：所述纳米活性材料的质量为所述负极复合材料质量的2～60％。4.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：所述纳米活性材料的平均粒径为5～500纳米。5.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：所述纳米活性材料选自硅、硅合金及一氧化硅中至少一种。6.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：所述碳材料选自人造石墨、天然石墨、膨胀石墨、中间相炭微球、针状焦、石油焦、沥青焦、石墨烯、软碳、硬碳、碳纤维及碳纳米管中至少一种。7.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：所述纳米活性材料与碳材料的质量比为(4:1)～(1:40)。8.如权利要求7所述负极复合材料，其特征在于：所述纳米活性材料与碳材料的质量比为(1:1)～(1:10)。9.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：所述分散体与中间相炭微球的质量比为(1:1)～(1:50)。10.如权利要求9所述负极复合材料，其特征在于：所述分散体与中间相炭微球的质量比为(1:1.5)～(1:4)。11.如权利要求1所述负极复合材料，其特征在于：包覆于所述分散体外表面的中间相炭微球包括以下步骤制备而成：提供一种中间相炭微球的原料，将所述中间相炭微球的原料与分散体混合，混合后加热使中间相炭微球的原料发生聚合反应得到前躯体；再将上述前躯体在惰性气氛中进行碳化处理。12.如权利要求11所述负极复合材料，其特征在于：所述混合的温度控制为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：文娟·刘·麦蒂斯，魏冠杰，郭志彪，裴卫兵，王小绘，
申请(专利权)人：微宏动力系统湖州有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33