一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用技术

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和应用。所述负极材料包括含活性物质的纳米纤维片，以及其表面包覆的无定形碳，其制备方法是采用含软碳前驱体的浸渍浆液浸渍纳米纤维片，干燥，碳化处理，得到所述锂离子电池负极材料。基于该负极材料的锂离子电池负极极片无需使用常规锂离子电池负极制备过程中必须使用的导电剂、粘接剂和金属集流体，且质量比容量高、循环寿命长，适用于制备高能量密度的锂离子电池。密度的锂离子电池。密度的锂离子电池。

【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和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，特别涉及一种无定形碳包覆自支撑锂离子电池负极 材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池因具有成本低、能量密度高、寿命长、安全性高以及环境友好等优势，已 成为目前市场上综合性能最好的电池体系。从民用便携式电子设备、大型能源交通设备到 军用无人飞机、卫星等，锂离子电池已经成为现代和未来生活和军事装备必不可少的“粮 食”之一。目前商业化的锂离子电池石墨负极比容量太低，不能满足大型用电设备如电动 汽车等对高能量密度的要求。而具有较高能量密度的非碳负极材料通常循环稳定性较差， 不能满足实际应用需求，难以实现工业化生产。因此，开发具有高能量密度和长循环寿命 的新型负极材料已成为当前的重点。
[0003]静电纺丝技术利用高压静电促使聚合物溶液和熔体喷射纺丝，装置简单、成本低廉、 可纺材料种类繁多、工艺可控性好，是一种可大批量制作一维纳米线和三维网格结构的简 便方法。通过静电纺丝将自支撑3D结构的碳纤维与储锂活性物质复合，可以提高复合材料 的导电率，发挥原有高比容量活性材料的潜力，同时缓冲活性物质在充放电过程中的体积 应力，提升循环稳定性。
[0004]CN106521705A公开了一种利用同轴纺丝制备SnO2@/SiO2@/C锂离子电池负极材料的 工艺方法，得到一种简单的碳包覆结构，但活性物质体积膨胀的问题未得到充分解决。Li 等人(Y.Li，B.Guo，et al.Carbon，2013，51：185.)将掺入纳米硅粒子的聚丙烯腈(PAN)溶液 进行静电纺丝，氧化碳化后，得到硅颗粒嵌入碳基体中的纳米碳纤维，并将此作为锂离子 电池的负极材料，初次容量可达1000mAh/g，50次循环后，容量衰减至700mAh/g以下， 主要是因为活性物质纳米颗粒的团聚性较严重，使得部分活性物质颗粒裸露在纤维的表面， 这些裸露的活性物质易从电极表面上脱落进入电解液，从而导致电极结构的破坏和活性材 料的损失，电极比容量迅速下降，电池循环性能差。综上，现有的静电纺丝活性物质/碳纳 米复合纤维负极材料的电化学性能仍然有待于进一步提升，其制备方法也有待于进一步改 进，因此，有必要研究一种新的静电纺丝活性物质/碳纳米复合纤维负极材料及其制备方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足之处，本专利技术提供了一种锂离子电池负极材料及其制备方法。采 用该负极材料制得的锂离子电池具有质量比容量高、循环寿命长的特性。
[0006]本专利技术第一方面提供了一种锂离子电池负极材料，其中，所述负极材料包括含活性物 质的纳米纤维片，以及其表面包覆的无定形碳。
[0007]上述技术方案中，所述负极材料的拉曼光谱中，D峰与G峰的峰强度比值为1.00～2.00， 例举但不限于：1.01，1.04，1.06，1.08，1.10，1.15，1.20，1.30，1.50，1.60，1.80，
1.90 等等。
[0008]上述技术方案中，所述负极材料中，无定形碳包覆纳米纤维片具有多层网状结构。
[0009]上述技术方案中，所述负极材料中，活性物质包括硼、硅、锡、锑及其氧化物中的至 少一种，优选为硅、二氧化硅中的至少一种。
[0010]上述技术方案中，所述负极材料中，以负极材料的质量为基准，活性物质的质量含量 为5％～80％，优选为30％～65％。
[0011]上述技术方案中，所述负极材料中，纳米纤维的直径为50nm～500nm。
[0012]上述技术方案中，所述负极材料中，所述活性物质分布在纳米纤维的内部和/或外部。 所述无定形碳作为包覆层，将含活性物质的纳米纤维包覆于内部。
[0013]上述技术方案中，所述的纳米纤维的材料为聚丙烯腈基碳纤维。
[0014]上述技术方案中，所述负极材料中，以负极材料的质量为基准，无定形碳的包覆量为 1％～40％，优选为15％～25％。
[0015]上述技术方案中，以负极材料的质量为基准，纳米纤维的质量含量为19％～94％，优选 为20％～45％。
[0016]上述技术方案中，所述负极材料中，无定形碳源于软碳前驱体为石油沥青、煤沥青、 聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺中的任意一种或多种，优选石油沥青。
[0017]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，包括：
[0018]采用含软碳前驱体的浸渍浆液浸渍纳米纤维片，干燥，碳化处理，得到所述锂离子电 池负极材料。
[0019]上述技术方案中，所述纳米纤维片采用静电纺丝法制备，具体如下：
[0020](1)纺丝液的制备；
[0021](2)纺丝液通过静电纺丝，制成纳米纤维片前驱体；
[0022](3)纳米纤维片前驱体经低温焙烧，得到纳米纤维片。
[0023]上述技术方案中，步骤(1)所述纺丝液的制备包括：将共聚型聚丙烯腈(分子量优选 为50000～200000)溶于有机溶剂(选自N，N
’‑
二甲基甲酰胺、N，N
’‑
二甲基乙酰胺中的至少 一种)，制得纺丝液。进一步地，纺丝液制备过程中，混合在超声下进行，温度为20～60℃， 时间为1～12h。
[0024]上述技术方案中，优选地，将活性物质引入纺丝液中，得到含活性物质的纺丝液。所 述含活性物质的纺丝液的制备包括：
[0025](11)将共聚型聚丙烯腈(分子量优选为50000～200000)溶于有机溶剂(选自N，N
’‑ꢀ
二甲基甲酰胺、N，N
’‑
二甲基乙酰胺中的至少一种)，制得母液A；
[0026](12)将活性物质的纳米粉与有机溶剂(选自N，N
’‑
二甲基甲酰胺、N，N
’‑
二甲基乙酰 胺中的至少一种)混合，得到母液B；
[0027](13)将母液A和母液B与有机溶剂(选自N，N
’‑
二甲基甲酰胺、N，N
’‑
二甲基乙酰胺 中的至少一种)混合，得到纺丝液(优选地，纺丝液中，共聚型聚丙烯腈的质量含量为 9％～18％，活性物质的质量含量为2％～30％)。
[0028]上述技术方案中，步骤(11)母液A制备过程中，混合在超声下进行，温度为20～60℃， 时间为1～12h。步骤(12)母液B制备过程中，混合在超声下进行，温度为20～60℃，时 间为0.5～8h。步骤(13)纺丝液制备过程中，混合在超声下进行，温度为20～60℃，时间 为3
～8h。
[0029]上述技术方案中，步骤(2)所述静电纺丝工艺条件如下：正向电压6kV～30kV，和/ 或负向电压
‑
0.01kV～
‑
10kV，和/或纺丝口与接收器之间距离为5cm～30cm，和/或纺丝液推 注速度为0.01mm/min～0.9mm/min。
[0030]上述技术方案中，步骤(2)将纺丝得到的纳米纤维制成纳米纤维片。<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，其中，所述负极材料包括含活性物质的纳米纤维片，以及其表面包覆的无定形碳。2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述负极材料的拉曼光谱中，D峰与G峰峰强度比值为1.00～2.00。3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述负极材料中的活性物质包括硼、硅、锡、锑及其氧化物中的至少一种，优选为硅、二氧化硅中的至少一种；和/或，所述的纳米纤维的材料为聚丙烯腈基碳纤维，优选地，纳米纤维的直径为50～500nm。4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，以负极材料的质量为基准，活性物质的质量含量为5％～80％，优选为30％～65％；包覆的无定形碳的质量含量为1％～40％，优选为15％～25％；纳米纤维的质量含量为19％～94％，优选为20％～45％。5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述无定形碳源于软碳前驱体，软碳前驱体为石油沥青、煤沥青、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺中的任意一种或多种，优选地，软碳前驱体为残碳率为50％～80％(优选为55％～78％)的石油沥青。6.权利要求1
‑
5任一所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括：采用含软碳前驱体的浸渍浆液浸渍纳米纤维片，干燥，碳化处理，得到所述锂离子电池负极材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维片采用静电纺丝法制备，其中，所述纺丝液中共聚型聚丙烯腈的质量含量为9％～18％，活性物质的质量含量为2％～30％(优选为3％～10％)；和/或，所述静电纺丝工艺条件如下：正向电压6kV～30kV，和/或负向电压<...

【专利技术属性】
技术研发人员：董文芊，孙赛，张丝雨，邓洁，
申请(专利权)人：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：