一种负极活性材料及其制备方法以及使用该材料的锂电池技术

本发明专利技术提供了一种用于锂离子电池的负极活性材料，其包括分散载体以及分散于分散载体中的复合材料，所述分散载体包括硅纤维和碳纤维，所述复合材料为硅／金属合金。现有硅基材料在电化学锂脱嵌时，存在严重的体积效应和粉化脱落的问题，导致电池的循环性能变差。本发明专利技术所提供的负极活性材料可以有效解决体积效应和粉化脱落的问题，从而改善电池的循环性能。本发明专利技术还提供了一种上述负极活性材料的制备方法，其包括：将硅纤维和碳纤维球磨混合高温烧结制成硅碳纤维；将硅、金属球磨混合高温烧结制成硅／金属合金；将硅碳纤维和硅／金属合金混合，加入分散剂中，超声波分散得到浆料；将浆料中的分散剂挥发，在保护气下低温处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种负极材料及其制备方法以及使用该材料的锂电池，具体涉及一种硅基负极活性材料及其制备方法以及使用该材料的锂电池。
技术介绍
锂离子电池由于具有高电压、高比能量、长循环寿命和对环境友好等特点，成为多 种便携式电子、移动产品的理想配套电源。 目前，在锂离子电池中，负极大多采用碳基材料，例如MCMB、石墨、有机热解碳等。 碳基材料具有良好的可逆脱嵌锂性能，但其可逆容量低(< 372mAh/g)，并且嵌锂电位较低 (0. 25-0. 05Vvs. 1^+/11)，接近金属锂电位，而锂离子扩散速度低，可能造成在高倍率充放 电时电池安全性差。为了解决上述问题，出现了硅基材料，但是现有硅基材料在电化学锂脱 嵌时，存在严重的体积效应和粉化脱落的问题，从而导致电池的效率和循环性能降低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是改善现有硅基材料充放时的严重体积效应和粉化 脱落问题，提高电池的循环性能。本专利技术提供了一种电池循环性能好的负极活性材料。 —种用于锂离子电池的负极活性材料，其包括分散载体以及分散于分散载体中的 复合材料，所述分散载体包括硅纤维和碳纤维，所述复合材料为硅/金属合金。 本专利技术还公开了一种负极活性材料的制备方法。 —种上述负极活性材料的制备方法，其包括以下步骤 (1)将硅纤维、碳纤维球磨混合并在保护气下高温烧结，得到硅碳纤维；将硅、金 属球磨混合并在保护气下高温烧结，得到硅/金属合金； (2)将硅碳纤维和硅/金属合金混合，加入分散剂中，超声波分散得到浆料； (3)将浆料中的分散剂挥发，在保护气下低温处理。 本专利技术还公开了一种采用上述负极活性材料的锂离子二次电池，其包括电池壳、 极芯和电解液，所述极芯和电解液密封容纳在电池壳内，所述极芯包括正极、负极和位于正 极与负极之间的隔膜，所述正极包括集流体和负载在集流体上的正极活性材料，所述负极 包括集流体和负载在集流体上的上述的负极活性材料。 本专利技术的专利技术人意外地发现以硅纤维和碳纤维合成的分散载体，由于硅碳纤维 具有其独特的空间结构，使得在充放电过程中锂离子脱嵌时产生的应力向横向和纵向舒 展，从而缓和了内应力的积聚，可以有效避免粉化脱落现象。以硅/金属合金为活性中心， 合金材料也可以吸收部分体积膨胀，并且合金材料明显改善了由于硅的半导体特性带来的 电接触问题；该负极活性材料，由于其独特的填充式空间结构，即使由于锂离子大量嵌入硅 中，产生300%的体积膨胀，依然能够保持良好电接触。 本专利技术所提供的负极活性材料，保持了硅的高容量特性，提高了锂离子电池负极 活性材料的能量密度，同时使整体电极的体积变化有效减弱，并增加了其循环稳定性。具体实施例方式—种用于锂离子电池的负极活性材料，其包括分散载体以及分散于分散载体中的复合材料，所述分散载体包括硅纤维和碳纤维，所述复合材料为硅/金属合金。本专利技术所采用的硅纤维优选为其直径为100nm，平均长度为10 y m。 所述碳纤维为导电碳纤维，本专利技术优选为其直径为100nm，平均长度为10 y m。 所述分散载体中碳纤维与硅纤维的质量比优选为1 : 1-1 : 5。 硅纤维具有较高的嵌锂容量，但是硅纤维的导电性能并不是很好；碳纤维具有良好的导电性，但其嵌锂容量低；碳纤维与硅纤维的质量比优选为i : i-i : 5，这样制得负极活性材料既可以保持较高的容量，同时还有良好的电接触。 所述分散载体具有空间骨架，是硅纤维和碳纤维高温交联形成的空间网状结构，并形成部分的碳化硅。 所述硅/金属合金，其中的金属优选过渡金属，更优选为Fe、 Co、 Ni、 Cu中的一种 或几种。 所述硅/金属合金中硅元素与金属元素的摩尔比为i : i-i : 5，优选为摩尔比 i : 2-i : 3。 所述硅/金属合金也可以为部分合金，所述部分合金是指其中既含有硅/金属合金相，也含有金属相。其中的合金相具有了一定的比容量，可以保持较高的容量比，而金属 相可以增强电化学接触。 硅/金属合金的颗粒大小为0. 1 ii m-100 ii m。 所述硅/金属合金颗粒镶嵌在所述分散载体的空间网状结构的空隙间。 所述分散载体与所述复合材料的质量比为i : i-i : io，优选为i : 3-i : 5。 —种上述负极活性材料的制备方法，其包括 (1)将硅纤维、碳纤维球磨混合并在保护气下高温烧结，得到硅碳纤维；将硅、金 属球磨混合并在保护气下高温烧结，得到硅/金属合金； (2)将硅碳纤维和硅/金属合金混合，加入分散剂中，超声波分散得到浆料； (3)将浆料中的分散剂挥发，在保护气下低温处理。 所述球磨混合为本领域技术人员所公知的，本专利技术优选在惰性气体如氩气保护下 采用行星式球磨机进行球磨。 硅、金属球磨混合后颗粒的粒径控制在0. 01-100 iim之间。 所述高温烧结亦为本领域技术人员所公知的。例如硅纤维、碳纤维的高温烧结为 在600-1000。C下反应30-120min。硅、金属的高温烧结为在800-1400。C下反应60-240min。 所述硅和金属均为粉末状，主要是指具有电化学活性的硅粉、金属粉，其粉体的粒 径优选为微米级、亚微米级或纳米级。 所述硅碳纤维和硅/金属合金混合为机械混合，硅碳纤维和硅/金属合金的混合优选按照i : i-i : io的比例混合。这样得到的硅/金属合金充分分散于硅碳纤维骨架之中。在充放电过程中，硅造成的体积膨胀，一部分被硅碳纤维的延伸而减缓，更多的被过 渡金属所吸收。加上导电碳纤维形成硅碳纤维的空间网络，在膨胀之后，依然保持良好的电 化学接触，从而显著得提高循环性能。 所述超声波分散为本领域技术人员所公知的，超声波分散时间为100-300min 。 所述挥发为本领域技术人员所公知的。例如可以是常温挥发也可以是在低于5(TC的环境中挥发。 所述分散剂是指能够有效分散固体颗粒的有机溶剂，并且在室温下具有一定的挥发性的有机溶剂，例如丙酮、四氢呋喃、环氧乙烷等。本专利技术的分散剂优选N-甲基吡咯烷酮證。 所述低温处理是指将得到的混合物移入密封反应体系中，采用惰性气氛保护下，在100-50(TC保温60-180min ;保温结束后，在保护气氛下，自然冷却至室温。 —种采用上述负极活性材料的锂离子二次电池，其包括电池壳、极芯和电解液，所述极芯和电解液密封容纳在电池壳内，所述极芯包括正极、负极和位于正极与负极之间的隔膜，所述正极包括集流体和负载在集流体上的正极活性材料，所述负极包括集流体和负载在集流体上的上述的负极活性材料。 在本专利技术的锂离子二次电池中，电解液可以为非水电解液。所述非水电解液为电解质锂盐在非水溶剂中形成的溶液，可以使用本领域技术人员已知的常规的非水电解液。如电解质锂盐可以选自六氟磷酸锂(LiPFe)、高氯酸锂(LiC10》、四氟硼酸锂(LiBF》、六氟砷酸锂(LiAsF》、六氟硅酸锂(LiSiFe)、四苯基硼酸锂(LiB(CeH5)4)、氯化锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、氯铝酸锂(LiAlCl》及氟烃基磺酸锂(LiC(S02CF3)3) 、 LiCH3S03、 LiN(S02CF3)2中的一种或几种。非水溶剂可以选自链状酸酯和环状酸酯混合溶液，其中链状酸酯可以为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂离子电池的负极活性材料，其包括分散载体以及分散于分散载体中的复合材料，所述分散载体包括硅纤维和碳纤维，所述复合材料为硅／金属合金。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡栋杰，袁学远，姜占锋，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]