负极材料及其制备方法、锂离子电池技术

本申请涉及负极材料领域，提供负极材料及其制备方法、锂离子电池，其中，负极材料包括聚集体，聚集体包括活性物质、碳材料和导电增强剂；导电增强剂的抗拉强度≥500MPa，负极材料中导电增强剂的分散度N≥1；将负极材料颗粒的SEM切面分割成面积为A

【技术实现步骤摘要】
负极材料及其制备方法、锂离子电池


[0001]本申请涉及负极材料
，具体地讲，涉及负极材料及其制备方法、锂离子电池。

技术介绍

[0002]电动化的新能源汽车是汽车市场未来发展方向，其核心部件是锂离子电池。随着市场发展，对高容量密度的电池需要越来越高，采用新型高比容正负极材料是提高电池的能量密度的重要方法之一。
[0003]越来越多的金属、氧化物、金属合金等新材料作为活性材料被应用于负极材料中以不断探索提高电池的能量密度的各种方式。以硅基负极材料为例，硅基负极材料作为上述活性材料中的一种，被普遍认为是下一代的负极材料，其超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(<0.5V)，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难引起表面析锂，安全性能更好等优点使其备受好评。但是硅基负极材料在充放电过程中存在反复的膨胀收缩效应，体积变化率高，在表面形成的SEI膜也会在膨胀收缩过程中破裂，暴露新的界面，新的界面不断形成新的SEI膜，外层的SEI不断增厚，导致电池循环性能不好。负极材料中普遍存在的体积膨胀问题限制了这些材料进一步应用。
[0004]因此，如何抑制负极材料的体积膨胀，提高循环稳定性是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0005]鉴于此，有必要提供负极材料及其制备方法、锂离子电池，能够有效抑制负极材料体积膨胀，提升电池循环性能。
[0006]第一方面，一种负极材料，其特征在于，所述负极材料包括聚集体，
[0007]所述聚集体包括活性物质、碳材料和导电增强剂；所述导电增强剂的抗拉强度≥500MPa，所述负极材料中所述导电增强剂的分散度N≥1；
[0008]其中，所述分散度N通过以下的测试方法获得：
[0009]将所述负极材料颗粒的SEM切面分割成面积为A
×
B的区域，其中，A及B均≤1微米，统计单个所述负极材料颗粒的所有所述区域内的导电增强剂的分布情况，将存在导电增强剂之间的间距＜10nm的区域的数量统计为Na，将存在导电增强剂之间的间距均≥10nm的区域的数量统计为Nb，单个所述负极材料颗粒中导电增强剂的分散度C定义为C＝Nb/Na，N为任意5个所述负极材料颗粒的C值的算术平均值。
[0010]在上述方案中，负极材料包括聚集体，聚集体包括活性物质、碳材料和导电增强剂，导电增强剂的抗拉强度≥500MPa，负极材料中导电增强剂的分散度N≥1，导电增强剂均匀分散有效改善载流子在聚集体内部的传输，增强了聚集体的导电性；选择使用抗拉强度≥500MPa的导电材料作为导电增强剂，导电增强剂具有较优异的机械性能，同时控制导电增强剂的分散度N≥1使得导电增强剂均匀的分布在负极材料中，导电增强剂可以作为结构的支撑体增强负极材料的稳定性，导电增强剂之间能够填充活性物质，降低活性材料膨胀
带来的应力变化，强化了聚集体的结构强度；经验证，上述负极材料膨胀率低，循环稳定性能好。
[0011]一实施方式中，所述导电增强剂分布于所述活性物质中，所述活性物质和所述导电增强剂之间填充有所述碳材料。
[0012]一实施方式中，所述碳材料与所述导电增强剂之间具有孔隙，所述孔隙中填充有所述活性物质。
[0013]一实施方式中，所述导电增强剂包括合金材料及导电碳中的至少一种。
[0014]一实施方式中，所述导电碳包括碳纳米管、碳纤维、石墨纤维中的至少一种。
[0015]一实施方式中，所述活性物质、所述碳材料以及所述导电增强剂的质量比为(20～70)：(10～70)：(3～20)。
[0016]一实施方式中，所述导电增强剂呈片状和/或长条状，所述导电增强剂的长径比为2～3000。
[0017]一实施方式中，所述导电增强剂的导电率＞102S/m。
[0018]一实施方式中，所述导电增强剂的长径比为2～3000。
[0019]一实施方式中，所述聚集体还包括金属氧化物。
[0020]一实施方式中，所述金属氧化物的化学通式为M
x
O
y
，0.2≤y/x≤3，其中，M包括Sn、Ge、Si、Fe、Cu、Ti、Na、Mg、Al、Ca及Zn中的至少一种。
[0021]一实施方式中，所述金属氧化物呈片状和/或长条状，所述金属氧化物的长径比大于2。
[0022]一实施方式中，所述金属氧化物与活性物质的质量比为(1～20)：100。
[0023]一实施方式中，所述活性物质包括Li、Na、K、Sn、Ge、Si、SiO、Fe、Mg、Ti、Zn、Al、P及Cu中的至少一种。
[0024]一实施方式中，所述活性物质的中值粒径为1nm至500nm。
[0025]一实施方式中，所述碳材料包括无定形碳、结晶碳、硬碳、软碳及中间相碳微球中的至少一种。
[0026]一实施方式中，所述负极材料还包括包覆于所述聚集体的至少部分表面的碳层。
[0027]一实施方式中，所述碳层的材料包括无定形碳。
[0028]一实施方式中，所述碳层的厚度为10nm至1500nm。
[0029]一实施方式中，所述负极材料的中值粒径为0.5μm～30μm。
[0030]一实施方式中，所述负极材料的比表面积≤10m2/g。
[0031]一实施方式中，所述负极材料的孔隙率≤10％，所述负极材料的耐压硬度≥50MPa。
[0032]一实施方式中，所述聚集体密度满足以下关系：(p1
‑
p2)/p2≤5％，其中p1为聚集体的测试密度，p2为聚集体的平均密度；所述p2为聚集体中各组分在聚集体中的质量百分含量*各组分的理论密度的值的总和。
[0033]第二方面，本申请提供一种负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0034]将抗拉强度≥500MPa的导电增强剂加入到第一溶剂中，分散得到分散液；
[0035]将活性物质、所述分散液、第一碳源和第二溶剂混合后制备得到前驱体；及
[0036]对所述前驱体一次热处理，得到聚集体。
[0037]本申请提供的制备方法，通过将导电增强剂先分散于第一溶剂中，得到分散溶液，再将分散溶液与活性物质、第一碳源和第二溶剂按照不同的配比混合得到前驱体，使得前驱体内部的导电增强剂的均匀分散，导电增强剂均匀分散可以有效改善载流子在聚集体内部的传输，增强了聚集体的导电性；选择使用抗拉强度≥500MPa的导电材料作为导电增强剂，导电增强剂可以作为结构的支撑体增强负极材料的稳定性，强化了聚集体的结构强度，能够避免活性物质膨胀效应带了的应力变化，维持聚集体的结构稳定性，有利于抑制负极材料的膨胀率，并且制备过程简单可控。
[0038]一实施方式中，所述活性物质包括Li、Na、K、Sn、Ge、Si、SiO、Fe、Mg、Ti、Zn、Al、P及Cu中的至少一种。
[0039]一实施方式中，所述第一碳源包括蔗糖、葡萄糖、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚苯胺、环氧树脂、酚醛树脂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料包括聚集体，所述聚集体包括活性物质、碳材料和导电增强剂；所述导电增强剂的抗拉强度≥500MPa，所述负极材料中所述导电增强剂的分散度N≥1；其中，所述分散度N通过以下的测试方法获得：将所述负极材料颗粒的SEM切面分割成面积为A
×
B的区域，其中，A及B均≤1微米，统计单个所述负极材料颗粒的所有所述区域内的导电增强剂的分布情况，将存在导电增强剂之间的间距＜10nm的区域的数量统计为Na，将存在导电增强剂之间的间距均≥10nm的区域的数量统计为Nb，单个所述负极材料颗粒中导电增强剂的分散度C定义为C＝Nb/Na，N为任意5个所述负极材料颗粒的C值的算术平均值。2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的一个：(1)所述导电增强剂分布于所述活性物质中，所述活性物质和所述导电增强剂之间填充有所述碳材料；(2)所述碳材料与所述导电增强剂之间具有孔隙，所述孔隙中填充有所述活性物质。3.根据权利要求1或2所述的负极材料，其特征在于，包含以下特征(1)至(6)中的至少一个：(1)所述导电增强剂包括合金材料及导电碳中的至少一种；(2)所述导电碳包括碳纳米管、碳纤维及石墨纤维中的至少一种；(3)所述活性物质、所述碳材料以及所述导电增强剂的质量比为(20～70)：(10～70)：(3～20)；(4)所述导电增强剂呈片状和/或长条状；(5)所述导电增强剂的长径比为2～3000；(6)所述导电增强剂的电导率＞102S/m。4.根据权利要求1～3任一项所述的负极材料，其特征在于，包含以下特征(1)至(5)中的至少一个：(1)所述聚集体还包括金属氧化物；(2)所述聚集体还包括金属氧化物，所述金属氧化物的化学通式为M
x
O
y
，0.2≤y/x≤3，其中，M包括Sn、Ge、Si、Fe、Cu、Ti、Na、Mg、Al、Ca及Zn中的至少一种；(3)所述聚集体还包括金属氧化物，所述金属氧化物呈片状和/或长条状；(4)所述聚集体还包括金属氧化物，所述金属氧化物的长径比大于2；(5)所述聚集体还包括金属氧化物，所述金属氧化物与所述活性物质的质量比为(1～20)：100。5.根据权利要求1～4任一项所述的负极材料，其特征在于，包含以下特征(1)至(10)中的至少一个：(1)所述活性物质包括Li、Na、K、Sn、Ge、Si、SiO、Fe、Mg、Ti、Zn、Al、P及Cu中的至少一种；(2)所述活性物质的中值粒径为1nm至500nm；(3)所述碳材料包括无定形碳、结晶碳、硬碳、软碳及中间相碳微球中的至少一种；(4)所述负极材料还包括包覆于所述聚集体的至少部分表面的碳层；(5)所述负极材料还包括包覆于所述聚集体的至少部分表面的碳层，所述碳层的材料包括无定形碳；
(6)所述负极材料还包括包覆于所述聚集体的至少部分表面的碳层，所述碳层的厚度为10nm至1500nm；(7)所述负极材料的中值粒径为0.5μm～30μm；(8)所述负极材料的比表面积≤10m2/g；(9)所述负极材料的孔隙率≤10％，所述负极材料的耐压硬度≥50MPa；(10)所述聚集体密度满足以下关系：(p1
‑
p2)/p2≤5％，其中p1为聚集体的测试密度，p2为聚集体的平均密度；所述p2为聚集体中各组分在聚集体中的质量百分含量*各组分的理论密度的值的总和。6.一种负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将抗拉强度≥500MPa的导电增强剂加入到第一溶剂中，分散得到分散液；将活性物质、所述分散液、第一碳源和第二溶剂混合后制备得到前驱体；及对所述前驱体一次热处理，得到聚集体。7.根据权利要求6的制备方法，其特征在于，包括以下特征(1)至(25)中的至少一个：(1)所述活性物质包括Li、Na、K、Sn、Ge、Si、SiO、Fe、Mg、Ti、Zn、Al、P及Cu中的至少一种；(2)所述第一碳源包括蔗糖、葡萄糖、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚苯胺、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、丙烯酸树脂、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、沥青中的至少一种；(3)所述导电增强剂包括合金材料及导电碳中的至少一种；(4)所述导电碳包括碳纳米管、碳纤维、石墨纤维中的至少一种；(5)所述导电增强剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖称茂，何鹏，任建国，贺雪琴，
申请(专利权)人：惠州市鼎元新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：