一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，本发明专利技术的负极材料具有独特的氮化铟包覆硅颗粒与纳米碳纤维复合结构，纳米碳纤维作结构载体，串联多个硅颗粒，起到了集流体及体积缓冲的作用；氮化铟的存在提高了整体的导电性，其高耐酸性及结构稳定性降低了不稳定SEI膜的生成；对内层硅颗粒和纳米碳纤维起到保护作用，同时提高了材料的结构稳定性，使材料整体具有良好的电导率，在嵌脱锂过程中优异的保持结构稳定性，实现了良好的倍率及循环性能。及循环性能。及循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池是目前市场上综合性能最好的电池体系。相较于其它几种二次电池，如铅酸电池、镍铬电池以及金属氢化物镍电池等，锂离子电池具有成本低、能量密度高等优点，因此被广泛应用于手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子设备。且随着电动汽车市场的快速增长，锂离子电池的发展迎来了新一轮的契机。
[0003]硅元素和碳元素在自然界中的蕴含量非常丰富，分别居第三位和第七位，因而将这两种材料商业化具有非常可观的前景；在作为锂离子电池负极材料时，硅作为理论嵌锂容量超高的负极材料（高达4200 mA
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h/g），一直成为业内研发的热门，然而其不稳定的SEI膜及脱嵌锂过程中巨大的体积膨胀（≥400%）造成巨大的不可逆容量损失及循环性能差等问题，这限制了硅材料的应用；与此相对的是，传统的石墨负极材料，尽管具有价格低廉，原料丰富，使用寿命高等特点，但其理论容量（372mA
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h/g）较低，压实密度低下，难以满足高能量密度的要求，同时石墨负极的倍率性能较差，极大的限制了其在大功率充放电场合的应用，尤其是在搭配高容量正极三元材料时候，采用石墨作为负极将极大拉低体系的总体能量密度。
[0004]针对于此，需要一种结构稳定与导电性好的锂离子电池负极材料，实现高倍率性能及超长循环寿命。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的第一个技术问题为：提供一种锂离子电池负极材料，该负极材料结构稳定且导电性好。
[0006]本专利技术要解决的第二个技术问题为：提供上述锂离子电池负极材料的制备方法。
[0007]本专利技术要解决的第三个技术问题为：提供上述锂离子电池负极材料的应用。
[0008]为了解决上述第一个技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种锂离子电池负极材料，包括若干硅颗粒和纳米碳纤维，所述硅颗粒之间通过纳米碳纤维相连；其中，所述硅颗粒表面和所述纳米碳纤维表面均形成有氮化铟；所述硅颗粒通过所述纳米碳纤维相连形成若干个链状结构。
[0009]根据本专利技术实施的锂离子电池负极材料，至少具有如下有益效果：本专利技术的负极材料具有独特的氮化铟包覆硅颗粒与纳米碳纤维复合结构，纳米碳纤维作结构载体，串联多个硅颗粒，起到了集流体及体积缓冲的作用；氮化铟的存在提高了整体的导电性，其高耐酸性及结构稳定性降低了不稳定SEI膜的生成；对内层硅颗粒和纳米碳纤维起到了保护作用，同时提高了材料的结构稳定性，使材料整体具有良好的电导率，在嵌脱锂过程中保持结构稳定，实现了良好的倍率及循环性能。
[0010]为了解决上述第二个技术问题，本专利技术采用的技术方案为：上述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、制备纳米碳纤维；S2、制备前驱体：将所述纳米碳纤维氧化，得到表面氧化纳米碳纤维；将硅酸酯和表面活性剂添加至表面氧化纳米碳纤维中反应，固液分离，收集固相，得前驱体；S3、还原前驱体：将所述前驱体与金属镁混合，在保护气氛下反应，清洗后固液分离，收集固相，得还原前驱体；S4、浸渍处理：将所述还原前驱体添加至硝酸铟溶液中，固液分离，收集固相，得粉体；S5、氮化：将所述粉体氮化，得到所述锂离子电池负极材料。
[0011]根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤S1中，采用静电纺丝法制备所述纳米碳纤维。
[0012]根据本专利技术的一些实施方式，所述静电纺丝法包含以下过程：（1）将PAN添加至溶剂，搅拌2~4h，得PAN溶液；（2）将所述PAN溶液水平纺丝，得PAN纤维；（3）将所述PAN纤维预氧化，得到预氧化PAN纤维；（4）将所述预氧化PAN纤维，在惰性气氛下，进行高温碳化。
[0013]根据本专利技术的一些实施方式，所述PAN（聚丙烯腈）的分子量为10000~25000。
[0014]根据本专利技术的一些实施方式，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺（DMF）。
[0015]根据本专利技术的一些实施方式，所述PAN溶液中PAN浓度为0.05g/mL~0.3g/mL。
[0016]根据本专利技术的一些实施方式，所述水平纺丝采用水平纺丝装置。
[0017]根据本专利技术的一些实施方式，所述水平纺丝装置中包括以下组件：注射器、注射泵和金属接收板；其中，所述注射器与注射泵相连，所述注射器还包括注射器针尖，所述注射器针尖与金属接收板相垂直。
[0018]根据本专利技术的一些实施方式，所述注射泵流速为0.2~0.5mL/h。
[0019]根据本专利技术的一些实施方式，所述注射器针尖与所述金属接收板之间的距离为10~30cm。
[0020]根据本专利技术的一些实施方式，所述注射器针尖还与高压电源相连接。
[0021]根据本专利技术的一些实施方式，所述高压电源的高压设置为10~15kV。
[0022]根据本专利技术的一些实施方式，所述水平纺丝过程中还需开启碘钨灯辅助干燥。
[0023]根据本专利技术的一些实施方式，所述碘钨灯的功率为200~250w。
[0024]根据本专利技术的一些实施方式，所述预氧化过程为：将所述PAN纤维在空气氛围下升温至200~300℃，保温2~3h；优选地，升温速度为2~4℃/min。
[0025]根据本专利技术的一些实施方式，所述碳化的升温过程为：第一次升温至300~400℃，保温2~4h；第二次升温至700~900℃，保温2~4h；优选地，所述第一次升温的速度为3~5℃/min；优选地，所述第二次升温的速度为3~5℃/min。
[0026]根据本专利技术的一些实施方式，所述氧化过程中氧化体系为氯酸盐和酸混合溶液。
[0027]根据本专利技术的一些实施方式，所述氯酸盐为氯酸钠和氯酸钾中的至少一种。
[0028]根据本专利技术的一些实施方式，所述酸为磷酸或硫酸中的至少一种。
[0029]根据本专利技术的一些实施方式，所述KClO3质量分数为5~15%。
[0030]根据本专利技术的一些实施方式，所述H2SO4质量分数为15~30%。
[0031]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米碳纤维的质量浓度为1%~5%。
[0032]根据本专利技术的一些实施方式，所述氧化过程中需搅拌1~2h。
[0033]根据本专利技术的一些实施方式，所述氧化过程中温度为65~85℃。
[0034]根据本专利技术的一些实施方式，所述氧化过程中反应时间为1~2h。
[0035]根据本专利技术的一些实施方式，所述洗涤为选用水洗涤5~8次。
[0036]根据本专利技术的一些实施方式，所述硅酸酯为正硅酸烷基酯。
[0037]根据本专利技术的一些实施方式，所述正硅酸烷基酯为正硅酸乙酯（TEOS）。
[0038]根据本专利技术的一些实施方式，所述制备前驱体过程中水和表面活性剂的质量比为50:1~5。
[0039]根据本专利技术的一些实施方式，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂。
[0040]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于：包括若干硅颗粒和纳米碳纤维，所述硅颗粒之间通过纳米碳纤维相连；其中，所述硅颗粒表面和所述纳米碳纤维表面均形成有氮化铟；所述硅颗粒通过所述纳米碳纤维相连形成若干个链状结构。2.一种制备如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的方法，其特征在于：包含以下步骤：S1、制备纳米碳纤维；S2、制备前驱体：将所述纳米碳纤维氧化，固液分离，收集固相，得到表面氧化纳米碳纤维；将硅酸酯和表面活性剂添加至表面氧化纳米碳纤维中反应，固液分离，收集固相，得前驱体；S3、还原前驱体：将所述前驱体与金属镁混合，在保护气氛下反应，固液分离，收集固相，得还原前驱体；S4、浸渍处理：将所述还原前驱体添加至硝酸铟溶液中，固液分离，收集固相，得粉体；S5、氮化：将所述粉体氮化，得到所述锂离子电池负极材料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中，采用静电纺丝法制备所述纳米碳纤维；优选地，静电纺丝法包含以下过程：（1）将PAN添加至溶剂，得PAN溶液；（2）将所述PAN溶液水平纺丝，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜志雄，万文治，杨政，徐宝，张勤俭，李万，罗强，林奕，
申请(专利权)人：湖南雅城新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：