复合电极材料及其制备方法、锂电池及电子设备技术

本申请公开了复合电极材料及其制备方法、锂电池及电子设备。该复合电极材料包括电极材料内核和包覆的有机纤维骨架。其中，有机纤维所含有的

【技术实现步骤摘要】
复合电极材料及其制备方法、锂电池及电子设备


[0001]本申请涉及电极材料
，尤其涉及一种复合电极材料及其制备方法、锂电池及电子设备。

技术介绍

[0002]二次电池及碱金属电池，尤其是二次电池中的锂离子电池，由于其能量利用效率高，环境友好，能量密度高等优点，在消费类电子产品、电动车、电动船舶、电动工具和共享换电市场中逐渐成为主流电池技术。电池鼓胀是一种常见的安全失效模式，对于锂离子电池而言，导致电池鼓胀的主要因素是循环过程中逐渐造成的电池极片厚度膨胀。而造成电池极片厚度膨胀的原因包括由于正负极材料的脱嵌锂过程引起的晶体膨胀、因晶体膨胀引起的表面SEI失稳和反复成膜等。因此，一些具有高容量特性的电极材料，却因具有较高的膨胀率而无法得到广泛应用。例如，硅的理论容量高达4200mAh/g，是本领域内被给予厚望的下一代负极材料。但硅基负极材料的膨胀高达300％。因此，因厚度膨胀带来的电池循环性能衰减和电池鼓胀成为推广硅电池应用的最大挑战。
[0003]针对电极材料晶体膨胀的问题，很多本领域技术人员通过在电极材料晶体颗粒表面包覆碳质材料或者陶瓷材料，来限制电极材料的晶体膨胀。但是，对于碳质材料来说，如果包覆量过多会影响可逆脱嵌锂效率，并且由于其结构强度不足，因此对电极材料晶体膨胀的改善效果较小。对于陶瓷材料来说，虽然其结构强度对于晶体膨胀的改善效果较好，但是由于其本身极易发生塑性变形，因此在晶体膨胀力或者膨胀程度较大时，晶体表面的陶瓷材料层将会破碎而失去效果。

技术实现思路

[0004]本申请提供一种复合电极材料及其制备方法和一种锂电池及电子设备，以解决电极体积膨胀的问题。
[0005]第一方面，本申请提供一种复合电极材料，包括电极材料内核和具有骨架结构的有机纤维包覆层，该有机纤维包覆层通过键合作用复合在电极材料内核表面；该有机纤维含有
‑
CO
‑
NH
‑
和
‑
C＝N
‑
中的至少一种，以及苯环结构。其中，有机纤维所含有的
‑
CO
‑
NH
‑
或者
‑
C＝N
‑
可以与电极材料内核表面的
‑
OH形成丰富的氢键，使得有机纤维相互缠绕地复合在电极材料内核表面上，从而在电极材料内核表面形成牢固的且具有骨架结构的包覆层。该有机纤维包覆层的高强度特性和较小的拉伸应变可以限制电极材料的体积膨胀，同时保证包覆层本身不易发生塑性变形。
[0006]在第一方面可选择的实现方式中，该有机纤维还具有
‑
COOH和/或
‑
NH2。基于
‑
COOH和/或
‑
NH2，该有机纤维可与电极材料内核表面的
‑
OH形成丰富的氢键，使得有机纤维足够牢固地的复合在内核表面，从而发挥出稳定的降低极片体积膨胀的作用。
[0007]在第一方面可选择的实现方式中，有机纤维在复合电极材料中的质量占比为0.05％
‑
1％。该复合比例，可以使有机纤维在电极材料表面形成连贯、均匀的骨架结构，保
证包覆效果。并且，该复合比例不会引起电极材料晶体颗粒的晶体结构及物相特性的改变，从而在限制电极材料体积膨胀的同时，保证电极材料的电化学性能稳定。也就是说，该复合比例可以兼顾有机纤维骨架对电极材料膨胀限制效果和材料表面电荷传导能力。
[0008]在第一方面可选择的实现方式中，苯环结构位于有机纤维的大分子链中，从而形成较强的分子间共轭作用，这样的有机纤维具有更高的稳定性。
[0009]在第一方面可选择的实现方式中，有机纤维的断裂强度大于3cN
·
dtex
‑1，上述有机纤维的初始模量大于50cN
·
dtex
‑1，从而保证有机纤维的结构强度及其对电极材料束缚作用。
[0010]在第一方面可选择的实现方式中，有机纤维包覆层的厚度为10nm
‑
200nm。
[0011]在第一方面可选择的实现方式中，有机纤维的直径为5nm
‑
60nm，长度为1μm
‑
20μm，该长径比可以在较少的复合量形成最佳的缠绕及包覆效果。
[0012]在第一方面可选择的实现方式中，有机纤维为芳纶纤维、聚芳噁二唑纤维或芳砜纶纤维。
[0013]在第一方面可选择的实现方式中，芳纶纤维中芳酰胺链节含量大于85％，芳纶纤维的直径为5nm
‑
40nm，长度为2μm
‑
20μm，该长径比可以在较少的复合量形成最佳的缠绕及包覆效果。
[0014]在第一方面可选择的实现方式中，复合电极材料包括复合颗粒和/或聚合颗粒，复合颗粒包括电极材料内核和通过键合作用复合在电极材料内核表面上的有机纤维包覆层，聚合颗粒由复合颗粒聚合形成。
[0015]可选择的，复合颗粒包括一次复合颗粒和二次复合颗粒，其中，一次复合颗粒的内核为电极材料内核，二次复合颗粒的内核为一次复合颗粒聚合形成的聚合颗粒。也就是说，组成该复合电极材料的颗粒可以是一次复合颗粒、二次复合颗粒以及一次复合颗粒和/或二次复合颗粒的聚合颗粒中的一种或者多种。由于一次复合颗粒、二次复合颗粒及其聚合颗粒的颗粒结构、粒度均不同，因此当该复合电极材料包含多种颗粒时，多种颗粒在性能上相互弥补，还可以通过调整每种颗粒的含量调整复合电极材料的粒度分布，从而调整复合电极材料的压实密度。
[0016]在第一方面可选择的实现方式中，该复合电极材料还包括导电剂和/或离子导体。导电剂和/或离子导体的加入，可以补偿由于有机纤维不导电而造成的复合电极材料导电能力减弱的问题，从而保证复合电极材料表面电荷传导能力。
[0017]在第一方面可选择的实现方式中，导电剂和/或离子导体包覆在复合颗粒和/或聚合颗粒的表面，或者混合在复合颗粒和/或聚合颗粒之间。
[0018]在第一方面可选择的实现方式中，导电剂包括无定形碳、软碳、硬碳、石墨、碳纳米管、石墨烯、金属颗粒中的一种或多种的组合。
[0019]在第一方面可选择的实现方式中，电极材料包括三元正极材料，硅基、锡基、硫基、金属锂负极材料。
[0020]第二方面，本申请还提供一种复合电极材料的制备方法，该方法包括：制备有机纤维溶液，有机纤维含有
‑
CO
‑
NH
‑
和
‑
C＝N
‑
中的至少一种，以及苯环结构；按照预定复合比例，将电极材料添加到所述有机纤维溶液中，搅拌至分散均匀；对电极材料与有机纤维的混合液进行干燥处理，得到复合电极材料。该复合电极材料包括电极材料内核和具有骨架结构
的有机纤维包覆层，该有机纤维包覆层通过键合作用复合在电极材料内核表面。其中，有机纤维所含有的
‑
CO
‑
NH
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合电极材料，其特征在于，包括电极材料内核和有机纤维包覆层，所述有机纤维包覆层通过键合作用复合在所述电极材料内核表面；所述有机纤维含有
‑
CO
‑
NH
‑
和
‑
C＝N
‑
中的至少一种，以及苯环结构。2.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述有机纤维还含有
‑
COOH和/或
‑
NH2。3.根据权利要求2所述的复合电极材料，其特征在于，所述有机纤维在所述复合电极材料中的质量占比为0.05％
‑
1％。4.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述苯环结构位于所述有机纤维的大分子链中。5.根据权利要求4所述的复合电极材料，其特征在于，所述有机纤维的断裂强度大于3cN
·
dtex
‑1，所述有机纤维的初始模量大于50cN
·
dtex
‑1。6.根据权利要4所述的复合电极材料，其特征在于，所述有机纤维包覆层的厚度为10nm
‑
200nm。7.根据权利要求6所述的复合电极材料，其特征在于，所述有机纤维的直径为5nm
‑
60nm，长度为1μm
‑
20μm。8.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述有机纤维为芳纶纤维、聚芳噁二唑纤维或芳砜纶纤维。9.根据权利要求8所述的复合电极材料，其特征在于，所述芳纶纤维中芳酰胺链节含量大于85％，所述芳纶纤维的直径为5nm
‑
40nm，长度为2μm
‑
20μm。10.根据权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料包括复合颗粒和/或聚合颗粒，所述复合颗粒包括所述电极材料内核和通过键合作用复合在所述电极材料内核表面上...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙玉静，夏圣安，谢封超，李阳兴，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：