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和碳材料，其中，负极材料的孔隙率≤10％，且负极材料中的目标区域比例A≥15％，其中，目标区域比例A通过以下的测试方法获得：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]现有的锂离子电池由于具备能量密度大、输出功率高、循环寿命长和环境污染小等优点而被广泛应用于电动汽车以及消费类电子产品中。为了提高电池能量密度，硅负极材料的研究和开发日趋成熟。但是负极材料脱嵌锂过程中体积膨胀较大，特别是硅负极材料在脱嵌锂过程中体积膨胀可以达到300％以上，在充放电过程中会粉化从集流体上掉落，使得负极活性材料与集流体之间失掉电接触，导致电化学性能变差，容量衰减、循环稳定性下降，难以得到商业应用。
[0003]因此，如何抑制负极材料的体积膨胀，提高材料的循环稳定性是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本申请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，该制备方法可降低制备成本。
[0005]第一方面，一种负极材料，所述负极材料包括聚集体，所述聚集体包括活性物质和碳材料，其中，所述负极材料的孔隙率≤10％，且所述负极材料中的目标区域比例A≥15％，
[0006]其中，所述目标区域比例A通过以下的测试方法获得：
[0007]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所述活性物质的分布情况，将所述活性物质之间的间距为10nm～300nm的区域的数量计为N1，将所述活性物质之间的间距小于10nm的区域和大于300nm的区域的总数量计为N2，单个所述负极材料颗粒的目标区域比例X定义为X＝N1/N2，A为任意5个所述负极材料颗粒的X值的算术平均值。
[0008]本实施方式的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。负极材料目标区域比例A≥15％，将目标区域比例A控制在此范围内，活性物质保持了适当的间距，有效避免了活性物质的自团聚，可以避免脱嵌锂过程中失去电接触，同时也有利于后续碳材料的渗透，增强活性物质与碳材料的结合，进而提高材料的电化学性能；聚集体具有较小的孔隙率，电解液也不容易渗透进聚集体内部，该聚集体结构有利于保护内部的活性物质颗粒，可以有效抑制负极材料体积膨胀，降低膨胀率，提升电池循环性能。
[0009]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。
[0010]一实施方式中，所述活性物质的中值粒径为1nm至500nm。
[0011]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。
[0012]一实施方式中，所述活性物质以及所述碳材料的质量比为(20～70)：(10～80)。
[0013]一实施方式中，所述聚集体还包括金属氧化物。
[0014]一实施方式中，所述金属氧化物分布于所述活性物质中，所述活性物质和所述金属氧化物之间填充有所述碳材料。
[0015]一实施方式中，所述活性物质与所述金属氧化物之间具有孔隙，所述孔隙中填充有所述碳材料。
[0016]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。
[0017]一实施方式中，所述金属氧化物呈片状和/或长条状。
[0018]一实施方式中，所述金属氧化物的长径比大于2。
[0019]一实施方式中，所述金属氧化物与所述活性物质的质量比为(1～20)：100。
[0020]一实施方式中，所述聚集体还包括导电增强剂。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]一实施方式中，所述导电增强剂的电导率＞102S/m。
[0024]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。
[0025]一实施方式中，所述导电增强剂与所述活性物质的质量比为(0.1～10):100。
[0026]一实施方式中，所述导电增强剂的抗拉强度≥500MPa。
[0027]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。
[0028]一实施方式中，所述碳层的材料包括无定形碳。
[0029]一实施方式中，所述碳层的厚度为10nm至1500nm。
[0030]一实施方式中，所述负极材料的中值粒径为0.5μm～30μm。
[0031]一实施方式中，所述负极材料的比表面积≤10m2/g。
[0032]一实施方式中，所述负极材料的耐压硬度≥50MPa。
[0033]一实施方式中，所述负极材料的孔隙率≤10％。
[0034]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：
[0035]将活性物质、第一碳源和溶剂混合并充分分散后除去所述溶剂得到第一前驱体；
[0036]对所述第一前驱体进行一次热处理得到第二前驱体；及
[0037]对所述第二前驱体进行密实化处理，得到聚集体。
[0038]在上述方案中，将活性物质、第一碳源与溶剂进行分级混合，可以提高第一前驱体中活性物质的分散度，再将分级混合得到的第一前驱体进行一次热处理得到第二前驱体，再将第二前驱体进行密实化处理，在密实化处理过程中，上述物质团聚形成聚集体，可以提高聚集体中活性物质的分散度，降低聚集体的孔隙率，整个制备过程简单，制备得到的负极材料可以有效抑制体积膨胀，降低膨胀率，提升电池循环性能。
[0039]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。
[0040]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、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。
[0041]一实施方式中，所述第一碳源与所述活性物质的质量比为(5～40)：100；
[0042]一实施方式中，所述溶剂包括有机溶剂。
[0043]一实施方式中，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇及戊醇中的至少一种。
[0044]一实施方式中，所述将活性物质、第一碳源和溶剂进行分级混合的步骤中还加入了添加剂。
[0045]一实施方式中，所述添加剂包括表面活性剂、偶联剂中的至少一种。
[0046]一实施方式中，所述表面活性剂包括正十八酸、月桂酸、聚丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、正二十酸、棕榈酸、十四烷酸、十本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，包括聚集体，所述聚集体包括活性物质和碳材料，其中，所述负极材料的孔隙率≤10％，且所述负极材料中的目标区域比例A≥15％，其中，所述目标区域比例A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所述活性物质的分布情况，将所述活性物质之间的间距为10nm～300nm的区域的数量计为N1，将所述活性物质之间的间距小于10nm的区域和大于300nm的区域的总数量计为N2，单个所述负极材料颗粒的目标区域比例X定义为X＝N1/N2，A为任意5个所述负极材料颗粒的X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(4)中的至少一种：(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)所述活性物质与所述碳材料的质量比为(20～70)：(10～80)。3.根据权利要求1～2任一项所述的负极材料，其特征在于，包含以下特征(1)至(7)中的至少一种：(1)所述聚集体还包括金属氧化物；(2)所述金属氧化物分布于所述活性物质中，所述活性物质和所述金属氧化物之间填充有所述碳材料；(3)所述活性物质与所述金属氧化物之间具有孔隙，所述孔隙中填充有所述碳材料；(4)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；(5)所述金属氧化物呈片状和/或长条状；(6)所述金属氧化物的长径比大于2；(7)所述金属氧化物与所述活性物质的质量比为(1～20)：100。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(14)中的至少一种：(1)所述聚集体还包括导电增强剂；(2)所述导电增强剂包括合金材料及导电碳中的至少一种；(3)所述导电碳包括碳纳米管、碳纤维、石墨纤维中的至少一种；(4)所述导电增强剂的电导率＞102S/m；(5)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；(6)所述导电增强剂与所述活性物质的质量比为(0.1～10):100；(7)所述导电增强剂的抗拉强度≥500MPa；(8)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；(9)所述碳层的材料包括无定形碳；(10)所述碳层的厚度为10nm至1500nm；(11)所述负极材料的中值粒径为0.5μm～30μm；(12)所述负极材料的比表面积≤10m2/g；
(13)所述负极材料的耐压硬度≥50Mpa；(14)所述负极材料的孔隙率≤10％。5.一种负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将活性物质、第一碳源和溶剂混合并充分分散后除去所述溶剂得到第一前驱体；对所述第一前驱体进行一次热处理得到第二前驱体；及对所述第二前驱体进行密实化处理，得到聚集体。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括以下特征(1)至(22)中的至少一种：(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)所述第一碳源与所述活性物质的质量比为(5～40)：100；(4)所述溶剂包括有机溶剂；(5)所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇及戊醇中的至少一种；(6)所述将活性物质、第一碳源和溶剂分级混合的步骤中还加入了添加剂；(7)所述添加剂包括表面活性剂、偶联剂中的至少一种；(8)所述表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：何鹏，肖称茂，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：