锂离子电池负极材料及其制备方法和应用和锂离子电池技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用和锂离子电池，该锂离子负极材料包括聚丙烯酸锂、纳米纤维以及负载在纳米纤维上的活性组分，本发明专利技术中的锂离子电池负极材料无需添加粘结剂和集流体可直接用作锂离子电池负极片，具有比容量高、首次循环效率高，机械性能好、制备工艺简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池负极材料及其制备方法和应用和锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及锂离子电池负极材料及其制备方法和该锂离子电池负极材料在锂离子电池中的应用及锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池是电池领域重要发展方向之一。目前商业化的锂离子电池负极材料理论比容量仅为372mAh/g，无法满足市场对高能量密度锂电池的需求。因此，开发新型负极材料已成为当前关注的热点。以硅为代表的非碳负极材料，凭借较高的理论比容量(4200mA·h·g-1)，而受到广泛关注，成为了新型负极材料的研究热点。为了解决硅基材料充放电过程中出现的“体积膨胀”、“粉化”、“SEI膜不可逆生长”等缺陷，科研人员采取包覆、掺杂等工艺对硅进行改性，取得了可喜的成果。例如，以纳米硅粉为活性物质，有机碳源(聚合物等)为包覆层的自支撑硅碳负极材料，巧妙的利用纳米纤维作为“缓冲骨架”，有效缓解了硅等非碳负极材料体积效应带来的性能衰减。CN105118974A报道了一种自支撑硅基负极材料及其制备方法，其由于引入碳纳米纤维制降低硅纳米颗粒的体积膨胀，避免了硅颗粒破碎和SEI膜重复生成的现象，提高了负极材料的机械强度，但是其存在制备过程复杂、稳定性差、工艺复杂及其导电率差等缺陷。CN109817986A报道了一种三维网状铜集流体及其制备工艺，其首先利用静电纺丝制备具有三维网状结构的纳米纤维，然后经过化学镀铜和电镀铜工艺，获得具有三维网状结构的铜集流体，最后再将硅等活性物质涂覆在网状集流体表面。该集流体具有三维网状互通结构，起到快速电子传输通道的作用，可提高材料的倍率性能。尽管自支撑负极材料利用“缓冲骨架”抑制体积膨胀效应，并有效减少粘结剂等惰性物质的使用，降低电池的重量，提升单体电芯的能量密度，但自支撑材料无法利用现有预锂化工艺处理，材料首效普遍偏低，且制备工艺复杂、机械性能仍有待提高，严重阻碍了其实际应用。因此，有必要开发一种新型的首次库伦效率高(≥85％)、机械性能优异且制备工艺简单的自支撑负极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的锂离子电池自支撑负极材料制备工艺复杂、机械性能低、首次库伦效率低的缺陷。提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法和该锂离子电池负极材料在锂离子电池中的应用及锂离子电池。本专利技术提供的锂离子电池负极材料具有比容量高、首次循环效率高的优势。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种锂离子电池负极材料，该负极材料包括聚丙烯酸锂、纳米纤维以及负载在纳米纤维上的活性组分。本专利技术第二方面提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，该方法包括：(1)将负载有活性组分的纳米纤维、聚丙烯酸锂和溶剂混合，得到混合料；(2)将所述混合料进行干燥。本专利技术的第三方面提供了一种由本专利技术第二方面所述的方法制备得到的锂离子电池负极材料。本专利技术的第四方面提供了由本专利技术第一方面或第三方面所述的锂离子电池负极材料在锂离子电池中的应用。本专利技术的第五方面提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括含有本专利技术第一方面或第三方面所述的锂离子电池负极材料的负极片、含有正极材料的正极片、隔膜和电解液。本专利技术提供的锂离子电池负极材料具有比容量高、首次循环效率高，机械性能好、制备工艺简单的优点，基于该负极材料的锂离子电池负极片无需再添加粘结剂和集流体，可进一步提高锂离子电池的能量密度。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明图1是实施例1制备得到的负载有活性组分的纳米纤维的TEM照片；图2是实施例1制得的锂离子电池负极材料的X射线光电子能谱的全谱分析图；图3是实施例1制备得到的锂离子电池负极材料的充放电曲线；图4是对比例1制备得到的锂离子电池负极材料的充放电曲线。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术中，所述锂离子电池包括但不限于液态锂离子电池、半固态锂离子电池和全固态锂离子电池中的任意一种。如前所述，本专利技术第一方面提供了一种锂离子电池负极材料，该负极材料包括聚丙烯酸锂、纳米纤维以及负载在纳米纤维上的活性组分。本专利技术中，所述负载在纳米纤维上的活性组分是指活性组分负载在纳米纤维的内部和/或表面。根据本专利技术，优选地，以所述负极材料的总量为基准，所述活性组分的含量为5-90重量％，进一步优选为17-65重量％。根据本专利技术，优选地，所述活性组分含有硅、锗、锡、钒和钛元素中的至少一种，进一步优选为硅、锡、二氧化锡、钛酸锂和氧化锗中的至少一种；更优选为硅、锡、二氧化锡和氧化锗的至少一种。根据本专利技术，优选地，以所述负极材料的总量为基准，所述聚丙烯酸锂的含量为1-25重量％，进一步优选为3-23重量％。采用该种优选实施方式，负极材料的比容量更高、首次循环效率更高。根据本专利技术，优选地，所述聚丙烯酸锂的重均分子量为50000-2000000，进一步优选为100000-500000。根据本专利技术，优选地，以所述负极材料的总量为基准，所述纳米纤维的含量为9-70重量％，优选为25-60重量％。根据本专利技术，优选地，所述纳米纤维的直径为50nm-50μm，例如纳米纤维的直径为50nm、200nm、300nm、400nm、500nm、700nm、900nm、10μm、30μm、50μm等。本专利技术中，所述纳米纤维的直径是通过透射电子显微镜测试得到的，具体是采用日本电子株式会社的型号为JEM-2100透射电子显微镜观测。测试条件为：将样品直接置于铜支持网后插入电镜进行观察。所述观察使用1万倍的放大倍率。在1万倍的放大倍率下观测纳米纤维，随机选取一个观测视野，计算该观测视野中全部纳米纤维的有效直径的平均值，重复操作共计10次，以10次平均值之和的平均值作为有效直径。根据本专利技术，优选地，所述纳米纤维选自纤维素、醋酸纤维素、甲壳素、壳聚糖、明胶、海藻酸钠、透明质酸、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、羟丙基纤维素、聚乳酸、聚酯型聚氨酯、均聚型聚丙烯腈、共聚型聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚酰亚胺和聚酰胺中的至少一种，进一步优选为共聚型聚丙烯腈、聚酰亚胺和均聚型聚丙烯腈中的至少一种。根据本专利技术，优选地，所述负极材料中还含有导电剂。所述导电剂可以为本领域常规使用的各种导电剂。优选地，所述导电剂选自碳纳米管、乙炔黑和导电炭黑(商业名：SuperP)中的至少一种。根据本专利技术，优选地，以所述负极材料的总量为基准，所述导电剂的含量为1-25重量％，优选为3-23重量％。如前所述，本专利技术第二方面提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，该方法包括：(1)将负载有活性组分的纳米纤维、聚丙烯酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池负极材料，该负极材料包括聚丙烯酸锂、纳米纤维以及负载在纳米纤维上的活性组分。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极材料，该负极材料包括聚丙烯酸锂、纳米纤维以及负载在纳米纤维上的活性组分。


2.根据权利要求1所述的负极材料，其中，以所述负极材料的总量为基准，所述活性组分的含量为5-90重量％，优选为17-65重量％；
优选地，所述活性组分含有硅、锗、锡、钒和钛元素中的至少一种，进一步优选为硅、锡、二氧化锡、钛酸锂和氧化锗中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的负极材料，其中，以所述负极材料的总量为基准，所述聚丙烯酸锂的含量为1-25重量％，优选为3-23重量％；
优选地，所述聚丙烯酸锂的重均分子量为50000-2000000。


4.根据权利要求1所述的负极材料，其中，以所述负极材料的总量为基准，所述纳米纤维的含量为9-70重量％，优选为25-60重量％；
优选地，所述纳米纤维的直径为50nm-50μm；
优选地，所述纳米纤维选自纤维素、醋酸纤维素、甲壳素、壳聚糖、明胶、海藻酸钠、透明质酸、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、羟丙基纤维素、聚乳酸、聚酯型聚氨酯、均聚型聚丙烯腈、共聚型聚丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚酰亚胺和聚酰胺中的至少一种，进一步优选为共聚型聚丙烯腈、聚酰亚胺和均聚型聚丙烯腈中的至少一种。


5.根据权利要求1-4中任意一项所述的负极材料，其中，所述负极材料中还含有导电剂；
优选地，所述导电剂选自碳纳米管、乙炔黑和导电炭黑中的至少一种；
优选地，以所述负极材料的总量为基准，所述导电剂的含量为1-25重量％。


6.一种锂离子电池负极材料的制备方法，该方法包括：
(1)将负载有活性组分的纳米纤维、聚丙烯酸锂和溶剂混合，得到混合料；
(2)将所述混合料进行干燥。


7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述混合包括：将聚丙烯酸锂和溶剂混合得到聚丙烯酸锂溶液，然后将所述聚丙烯酸锂溶液与负载有活性组分的纳米纤维混合，得到所述混合料；
优选地，所述聚丙烯酸锂溶液中聚丙烯酸锂的含量为3-10重量％；
优选地，所述聚丙烯酸锂的重均分子量为50000-2000000。


8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤(2)中所述干燥为真空干燥；
优选地，步骤(2)中所述干燥的温度为100-300℃。


9.根据权利要求6-8中任意一项所述的制备方法，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙赛，张丝雨，高焕新，张同宝，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11