锂离子电池阳极制造技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池阳极，其包括：一3D结构的碳纳米管海绵体，该碳纳米管海绵体为一由多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成的蜂窝状结构，该碳纳米管海绵体包括多个微孔，所述微孔的孔径大于等于5微米；多个过渡金属氧化物颗粒，所述多个过渡金属氧化物颗粒均匀附着在碳纳米管的表面并位于微孔中，所述多个过渡金属氧化物颗粒的粒径小于等于200纳米。

Anode of lithium ion battery

The invention provides a lithium-ion battery anode, which comprises a three-dimensional structure of carbon nanotube sponge, which is a honeycomb-like structure formed by a plurality of carbon nanotubes interconnected by Van der Waals forces. The carbon nanotube sponge comprises a plurality of micropores, the micropore diameter of which is greater than or equal to 5 microns. Transition metal oxide particles are uniformly attached to the surface of carbon nanotubes and are located in micropores. The particle sizes of the transition metal oxide particles are less than or equal to 200 nanometers.

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池阳极
本专利技术涉及一种锂离子电池阳极，尤其涉及一种基于碳纳米管的锂离子电池阳极。
技术介绍
锂离子电池是一种新型的绿色化学电源，与传统的镍镉电池、镍氢电池相比具有电压高、寿命长、能量密度大的优点。自1990年日本索尼公司推出第一代锂离子电池后，它已经得到迅速发展并广泛用于各种便携式设备。锂离子电池的阳极是锂离子电池的重要组成部分。目前研究得较多且较为成熟的阳极材料为碳材料，如石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等。然而，随着技术的发展，碳阳极越来越难以满足日益增长的对锂离子电池的高能量和功率密度的市场需求，过渡金属氧化物引起了锂离子电池领域的广泛关注。因为过渡金属氧化物的理论比容量高，环境友好和天然丰富，被认为是现有技术中石墨阳极的理想替代品。然而，目前仍然存在阻碍过渡金属氧化物阳极的实际应用的两个主要缺陷：第一，在放电和充电过程中，过渡金属氧化物的体积会发生较大程度的膨胀，引起锂离子电池的严重劣化；第二，过渡金属氧化物具有固有的较低的电导率，由过渡金属氧化物组成的锂离子电池阳极严重阻碍了反应活性。
技术实现思路
因此，确有必要提供一种锂离子电池阳极，该锂离子电池阳极可以克服以上缺点。一种锂离子电池阳极，其包括：一3D结构的碳纳米管海绵体，该碳纳米管海绵体为一由多个碳纳米管相互连接形成的蜂窝状结构，该碳纳米管海绵体包括多个微孔，所述微孔的孔径大于等于5微米；多个过渡金属氧化物颗粒，所述多个过渡金属氧化物颗粒均匀附着在碳纳米管的表面并位于微孔中，所述多个过渡金属氧化物颗粒的粒径小于等于200纳米。相较于现有技术，本专利技术所提供的锂离子电池阳极具有以下优点：第一，碳纳米管海绵体为一蜂窝状结构，多个过渡金属氧化物颗粒均匀附着在碳纳米管的表面并位于微孔中，多个过渡金属氧化物颗粒的粒径远小于微孔的孔径，在锂离子电池的充放电过程中，过渡金属氧化物的膨胀不会造成锂离子电池阳极的体积发生变化，不会引起锂离子电池的严重劣化；第二，由于过渡金属氧化物颗粒附着在碳纳米管的表面，碳纳米管在支撑过渡金属氧化物颗粒的同时，作为锂离子电池阳极的导电剂，大大提高了锂离子电池阳极的导电率和反应活性。附图说明图1为本专利技术实施例所提供锂离子电池阳极的扫描电镜照片。图2为本专利技术实施例所提供的锂离子电池阳极的透射电镜照片。图3为本专利技术实施例所提供的锂离子电池阳极的局部结构放大示意图。图4为本专利技术实施例所提供的碳纳米管海绵体的照片。图5采用本专利技术所提供的锂离子电池阳极的锂离子电池的循环性能与采用传统锂离子电池阳极的锂离子电池的循环性能比较图。图6为采用本专利技术所提供的锂离子电池阳极的锂离子电池的电化学阻抗谱与采用传统锂离子电池阳极的锂离子电池的电化学阻抗谱的对比曲线。图7采用本专利技术所提供的锂离子电池阳极的锂离子电池的倍率性能和采用传统锂离子电池阳极的锂离子电池的倍率性能的对比曲线。图8为本专利技术实施例所提供的锂离子电池阳极的制备方法的流程图。图9为本专利技术实施例提供的锂离子电池的结构侧视剖面示意图。图10为本专利技术实施例所提供的锂离子电池的结构侧视示意图。图11为本专利技术实施例所提供的另一种情况的锂离子电池的结构侧视示意图。图12为本专利技术实施例所提供的另一种情况的锂离子电池的结构侧视示意图。主要元件符号说明碳纳米管12过渡金属氧化物颗粒14微孔16锂离子电池100壳体20阳极10；210阴极30；230电解液40隔膜50锂离子电池200电解质薄膜240第一表面2402第二表面2404如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式以下将结合附图及具体实施例对本专利技术实施例作进一步的详细说明。请参见图1及图2，本专利技术实施例提供一种锂离子电池阳极。该锂离子电池阳极包括一3D结构的碳纳米管海绵体及多个渡金属氧化物颗粒。请参见图3，该碳纳米管海绵体为一由多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成的蜂窝状结构，该碳纳米管海绵体包括多个微孔，所述微孔的孔径大于等于5微米。所述多个过渡金属氧化物颗粒均匀附着在碳纳米管的表面并位于微孔中，所述多个过渡金属氧化物颗粒的粒径小于等于200纳米，优选地，过渡金属氧化物颗粒小于等于50纳米。由于碳纳米管海绵体的微孔的孔径大于过渡金属氧化物颗粒的粒径，因此，整个锂离子电池阳极包括多个空隙，该空隙由碳纳米管海绵体的微孔和位于微孔内的过渡金属氧化物颗粒形成。所述海绵体为自支撑结构，其作为一支撑骨架用于支撑过渡金属氧化物颗粒。为了更为具体的说明锂离子电池阳极的内部结构，请参见图4，碳纳米管海绵体中，碳纳米管12之间相互搭接交叉，碳纳米管海绵体中的微孔16由相邻的碳纳米管形成，过渡金属氧化物颗粒14均匀地附着在碳纳米管12的表面，并位于微孔16中。所述锂离子电池阳极的厚度不限，可以根据实际需要调整。本实施例中，锂离子电池阳极的厚度为100微米～5毫米。锂离子电池阳极的厚度基本等于碳纳米管海绵体的厚度。所述锂离子电池阳极也可以仅由碳纳米管和过渡金属氧化物颗粒组成。由于过渡金属氧化物颗粒的粒径远小于碳纳米管海绵体中微孔的孔径，即使过渡金属氧化物颗粒位于碳纳米管海绵体的微孔中，也不会将碳纳米管海绵体的微孔填满，因此，锂离子电池阳极本身也为一多空蜂窝状结构，其包括大量的空隙，图1和图2可以充分说明。在一些具体实施例中，所述锂离子电池阳极的孔隙率大于等于80％，比表面积大于等于150平方米每克。所述锂离子电池阳极中，碳纳米管的质量百分含量为40％～60％，过渡金属氧化物颗粒的质量百分含量为40％～60％。所述碳纳米管海绵体包括碳纳米管，碳纳米管之间可以相互缠绕搭接。碳纳米管海绵体由碳纳米管组成。所述碳纳米管可以为纯的碳纳米管，即，碳纳米管的表面不含有无定性碳等杂质。碳纳米管也没有官能团修饰，如羟基、羧基等。所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。碳纳米管的直径为1纳米～200纳米。碳纳米管海绵体中的微孔由相邻的碳纳米管形成，微孔的孔径可以大于等于10微米。优选地，碳纳米管海绵体的微孔孔径大于等于20微米。所述过渡金属氧化物颗粒的材料可以为二氧化锰(MnO2)、氧化镍(NiO)、三氧化二铁(Fe2O3)或氧化钴(Co3O4)。所述过渡金属氧化物颗粒的粒径可以小于等于50纳米。从图1和图2可以看出，过渡金属氧化物颗粒均匀附着在碳纳米管表面，不存在团聚的现象。碳纳米管海绵体可以看作一个由碳纳米管组成的骨架，用于支撑过渡金属氧化物颗粒。以下将对本专利技术所提供的锂离子电池阳极(1号阳极)和现有技术中常用的一种锂离子电池阳极(2号阳极)的性能进行测试和比较，由1号阳极和2号阳极分别和相同的对电极以及电解液组成1号电池和2号电池。1号阳极由二氧化锰颗粒和碳纳米管海绵体组成，其中，二氧化锰颗粒的质量百分含量为50.82％；2号阳极由二氧化锰颗粒、炭黑导电剂和粘结剂按照质量百分比为5:4:1组成，即二氧化锰颗粒的质量百分含量为50％。1号阳极和2号阳极中，二氧化锰颗粒的质量相等。请参见图5，1号阳极和2号阳极相比，在相同的放电电流和初始放电比容量的情况下，1号电池在50次循环之后，其可逆比容量为1846.5mAhg-1(毫安/克)；而2号电池在50次循环后，其可逆比容量仅为585mAhg-1(毫安/克)，1号电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池阳极，其包括：一3D结构的碳纳米管海绵体，该碳纳米管海绵体为一由多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成的蜂窝状结构，该碳纳米管海绵体包括多个微孔，所述微孔的孔径大于等于5微米；以及，多个过渡金属氧化物颗粒，所述多个过渡金属氧化物颗粒均匀附着在碳纳米管的表面并位于微孔中，所述多个过渡金属氧化物颗粒的粒径小于等于200纳米。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池阳极，其包括：一3D结构的碳纳米管海绵体，该碳纳米管海绵体为一由多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成的蜂窝状结构，该碳纳米管海绵体包括多个微孔，所述微孔的孔径大于等于5微米；以及，多个过渡金属氧化物颗粒，所述多个过渡金属氧化物颗粒均匀附着在碳纳米管的表面并位于微孔中，所述多个过渡金属氧化物颗粒的粒径小于等于200纳米。2.如权利要求1所述的锂离子电池阳极，其特征在于，所述碳管纳米管之间相互搭接交叉，碳纳米管海绵体中的微孔由相邻的碳纳米管形成，过渡金属氧化物颗粒均匀地附着在碳纳米管的表面，并位于微孔中。3.如权利要求1所述的锂离子电池阳极，其特征在于，所述锂离子电池阳极包括多个孔隙，空隙率大于等于80％。4.如权利要求1所述的锂离子电池阳极，其特征在于，锂离子电池阳极的比表...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗宇峰，王佳平，姜开利，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11