复合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，提供复合负极材料及其制备方法、锂离子电池，其中，复合负极材料包括活性材料；活性材料包括多孔硅颗粒、硅合金及碳纳米管；其中，硅合金分布于多孔硅颗粒内部的孔道内以及多孔硅颗粒的表面，且碳纳米管通过硅合金与多孔硅颗粒连接。本申请的复合负极材料及其制备方法，低成本、可规模化生产，能降低负极材料的体积膨胀，提高负极材料的结构稳定性和循环稳定性。的结构稳定性和循环稳定性。的结构稳定性和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
复合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，涉及一种复合负极材料及其制备方法、锂离子电池。

技术介绍

[0002]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，高容量的负极材料的研究和开发日趋成熟。然而这些负极材料与锂合金化过程体积膨胀较大，在充放电过程中会粉化从集流体上掉落，使得负极材料与集流体之间失掉电触摸，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。

技术实现思路

[0003]鉴于此，本申请提出了能降低体积膨胀、提高循环稳定性的复合负极材料及其制备方法、锂离子电池。
[0004]一种复合负极材料，所述复合负极材料包括活性材料；
[0005]所述活性材料包括多孔硅颗粒、硅合金及碳纳米管；其中，所述硅合金分布于所述多孔硅颗粒内部的孔道内以及所述多孔硅颗粒的表面，且所述碳纳米管通过所述硅合金与所述多孔硅颗粒连接。
[0006]本申请提供的复合负极材料，碳纳米管通过硅合金与多孔硅颗粒连接，可以有效避免碳纳米管团聚，使其均匀分布在多孔硅的孔道内或多孔硅颗粒的表面，可以有效提高材料内部的电子导电性，同时也提高了碳纳米管与多孔硅颗粒的结合强度，提高整个复合材料的结构稳定性，带来优异的倍率性，以此保证复合负极材料更高的容量，更优的倍率性能和循环性能。
[0007]又一种复合负极材料，所述复合负极材料包括活性材料；
[0008]所述活性材料包括多孔硅颗粒及碳纳米管；其中，所述碳纳米管与所述多孔硅颗粒的孔道内壁以及所述多孔硅颗粒的表面连接，所述复合负极材料中存在金属
‑
碳化合键，所述金属
‑
碳化合键的结合能为53.00eV
‑
284.75eV。本申请提供的复合负极材料中存在金属
‑
碳化合建，且金属
‑
碳化合键的结合能为53.00eV
‑
284.75eV，可以保证碳纳米管与多孔硅颗粒之间牢固结合，不容易脱落，避免影响复合负极材料的导电性。
[0009]再一种复合负极材料，所述复合负极材料包括活性材料；
[0010]所述活性材料包括多孔硅颗粒及碳纳米管；其中，所述碳纳米管与所述多孔硅颗粒的孔道内壁以及所述多孔硅颗粒的表面连接，在拉曼光谱中，所述复合负极材料具有碳特征峰D和碳特征峰G，所述碳特征峰D的峰强度I
D
与所述碳特征峰G的峰强度I
G
的比值I
D
/I
G
≤0.9。
[0011]复合负极材料的拉曼光谱中，I
D
/I
G
≤0.9，可以保证碳纳米管上存在较少的缺陷，并且结晶度高，可提升自身强度和导电性，在复合负极材料进行充放电过程中，不容易断
裂，如果I
D
/I
G
大于0.9，碳纳米管缺陷较多影响其强度，同时结晶度较差，会导致容易断裂，且电子导电性变差。
[0012]一实施方式中，所述碳纳米管与所述多孔硅颗粒的结合强度B＞7.8μN/nm2。
[0013]一实施方式中，所述多孔硅颗粒的孔隙率为30％～70％。
[0014]一实施方式中，所述多孔硅颗粒的孔道包括大孔，所述大孔的孔径＞50nm。
[0015]一实施方式中，所述大孔在所有孔道结构中的体积占比≥50％。
[0016]一实施方式中，所述多孔硅颗粒为一次颗粒。
[0017]一实施方式中，所述孔道自所述多孔硅颗粒的内部延伸至所述多孔硅颗粒的表面。
[0018]一实施方式中，所述多孔硅颗粒的平均粒径为0.5μm～20μm。
[0019]一实施方式中，所述多孔硅颗粒在所述复合负极材料中的质量含量为30％～94.5％。
[0020]一实施方式中，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管。
[0021]一实施方式中，所述碳纳米管的长度为30nm
‑
20μm。
[0022]一实施方式中，所述单壁碳纳米管的直径为0.6nm～2.0nm。
[0023]一实施方式中，所述多壁碳纳米管的直径为2.0nm～40nm。
[0024]一实施方式中，所述碳纳米管在所述复合负极材料中的质量含量为2％～30％。
[0025]一实施方式中，所述硅合金的平均粒径为0.2nm～30nm。
[0026]一实施方式中，所述硅合金在所述复合负极材料中的质量含量为0.5％～20％。
[0027]一实施方式中，所述复合负极材料还包括覆盖于所述多孔硅颗粒的孔道内和/或表面的无定型碳。
[0028]一实施方式中，所述无定型碳和所述碳纳米管之间无明显界面。一实施方式中，所述无定型碳的厚度为2nm～200nm。
[0029]一实施方式中，所述复合负极材料中碳的质量含量为5％～50％。
[0030]一实施方式中，所述复合负极材料的粉体振实密度为0.2g/cm3～1.2g/cm3。
[0031]一实施方式中，所述复合负极材料的粉体压实密度为1.2g/cm3～1.8g/cm3。
[0032]一实施方式中，所述复合负极材料的平均粒径为0.2μm～20μm。
[0033]一实施方式中，所述复合负极材料的比表面积为1.0m2/g～50m2/g。
[0034]一实施方式中，所述复合负极材料中氧的质量含量＜20％。
[0035]一实施方式中，所述复合负极材料的电导率大于2
×
10
‑2S/m。
[0036]本申请还提供一种复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0037]制备包含多孔硅颗粒和金属M的合金的复合物；
[0038]将所述复合物与金属N的氧化物进行置换反应，得到前驱体，所述前驱体包括多孔硅颗粒及硅合金，所述金属M的还原性大于所述金属N；及
[0039]将所述前驱体与碳源气体进行热反应在所述硅合金表面生成碳纳米管，得到复合负极材料。
[0040]在本方案中，通过在多孔硅内外表面原位生长具有催化作用的硅合金，利用硅合金的催化作用在多孔硅内外表面生长出碳纳米管，碳纳米管通过硅合金与多孔硅连接，可以有效提高导电性，同时也提高了碳纳米管与多孔硅的结合强度，提高整个复合材料的结
构稳定性。并且，在整个制备过程中，通过调整硅合金的尺寸、含量以及反应时间，可以改变碳纳米管的直径，载量以及长度。碳纳米管的良好的机械强度以及优异的导电性，可以极大提高硅材料的导电性，提高复合负极材料的容量，还可以有效缓解硅材料的体积膨胀，带来优异的循环稳定性。
[0041]一实施方式中，所述制备所述复合物的步骤具体包括：将包含多孔硅颗粒和金属M的混合物进行热处理；一实施方式中，所述多孔硅颗粒的内部设有孔道，所述孔道自所述多孔硅颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合负极材料，其特征在于，所述复合负极材料包括活性材料；所述活性材料包括多孔硅颗粒、硅合金及碳纳米管；其中，所述硅合金分布于所述多孔硅颗粒内部的孔道内以及所述多孔硅颗粒的表面，且所述碳纳米管通过所述硅合金与所述多孔硅颗粒连接。2.一种复合负极材料，其特征在于，所述复合负极材料包括活性材料；所述活性材料包括多孔硅颗粒及碳纳米管；其中，所述碳纳米管与所述多孔硅颗粒的孔道内壁以及所述多孔硅颗粒的表面连接，所述复合负极材料中存在金属
‑
碳化合键，所述金属
‑
碳化合键的结合能为53.00eV
‑
284.75eV。3.一种复合负极材料，其特征在于，所述复合负极材料包括活性材料；所述活性材料包括多孔硅颗粒及碳纳米管；其中，所述碳纳米管与所述多孔硅颗粒的孔道内壁以及所述多孔硅颗粒的表面连接，在拉曼光谱中，所述复合负极材料具有碳特征峰D和碳特征峰G，所述碳特征峰D的峰强度I
D
与所述碳特征峰G的峰强度I
G
的比值I
D
/I
G
≤0.9。4.根据权利要求1～3任一项所述的复合负极材料，其特征在于，包含以下特征(1)至(15)中的至少一种：(1)所述碳纳米管与所述多孔硅颗粒的结合强度B＞7.8μN/nm2；(2)所述多孔硅颗粒的孔隙率为30％～70％；(3)所述多孔硅颗粒的孔道包括大孔，所述大孔的孔径＞50nm；(4)所述大孔在所有孔道结构中的体积占比≥50％；(5)所述多孔硅颗粒为一次颗粒；(6)所述孔道自所述多孔硅颗粒的内部延伸至所述多孔硅颗粒的表面；(7)所述多孔硅颗粒的平均粒径为0.5μm～20μm；(8)所述多孔硅颗粒在所述复合负极材料中的质量含量为30％～94.5％；(9)所述碳纳米管包括单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管；(10)所述碳纳米管的长度为30nm
‑
20μm；(11)所述单壁碳纳米管的直径为0.6nm～2.0nm；(12)所述多壁碳纳米管的直径为2.0nm～40nm；(13)所述碳纳米管在所述复合负极材料中的质量含量为2％～30％；(14)所述硅合金的平均粒径为0.2nm～30nm；(15)所述硅合金在所述复合负极材料中的质量含量为0.5％～20％。5.根据权利要求1～3任一项所述的复合负极材料，其特征在于，包含以下特征(1)至(10)中的至少一种：(1)所述复合负极材料还包括覆盖于所述多孔硅颗粒的孔道内和/或表面的无定型碳；(2)所述无定型碳和所述碳纳米管之间无明显界面；(3)所述无定型碳的厚度为2nm～200nm；(4)所述复合负极材料中的碳在所述复合负极材料中的质量含量为5％～50％；(5)所述复合负极材料的粉体振实密度为0.2g/cm3～1.2g/cm3；(6)所述复合负极材料的粉体压实密度为1.2g/cm3～1.8g/cm3；(7)所述复合负极材料的平均粒径为0.2μm～20μm；
(8)所述复合负极材料的比表面积为1.0m2/g～50m2/g；(9)所述复合负极材料中氧的质量含量＜20％；(10)所述复合负极材料的电导率大于2
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‑2S/m。6.一种复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备包含多孔硅颗粒和金属M的合金的复合物；将所述复合物与金属N的氧化物进行置换反应，得到前驱体，所述前驱体包括多孔硅颗粒及硅合金，所述金属M的还原性大于所述金属N；及将所述前驱体与碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：何鹏，安威力，郭锷明，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：