本发明专利技术公开了一种包含Cu-Cr-Si三元材料的电池负极，还公开了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的锂离子二次电池，以及使用Cu-Cr-Si三元材料用作电池负极材料的用途。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及Cu-Cr-Si三元材料在电池负极材料中的用途，更具体地涉及由Cu-Cr-Si三元材料制作的电池负极以及以该材料为负极的锂离子电池体系。
技术介绍
能源危机迫在眉睫，克服能源危机的出路是大力发展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代生化资源。锂离子电池作为适用于可再生能源的新型储能设备，从上世纪末开始成为各国研究的热点。锂离子电池是目前所有二次电池中比能量最高、工作电压最高、平均循环寿命最长以及自放电率最低的化学电池。它为电子产品的小型化和轻型化提供了保证。锂离子电池的充放电过程，锂离子的嵌入和脱嵌过程，在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。从锂离子电池的工作原理可以看出，该电池需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，提供锂源。锂离子电池以锂离子嵌入化合物为正极材料，而负极材料则应选择电位尽可能接近锂的可嵌入锂的化合物，如各种碳材料、金属氧化物或合金等。目前常见的负极材料主要有碳素负极材料、氮化物负极材料和新型金属合金负极材料(包含各种硅基负极材料)。与其他负极材料相比，合金负极材料具有以下优点:1.比容量大；2.放电电压略高于锂金属沉积电位，能够避免大电流充放过程中形成锂枝晶，提高电池安全性能；3.振实密度远高于现有的其他负极材料。合金负极材料的缺点是首次不可逆容量较大和循环性能差，特别是其循环性能与石墨电极的相差甚远。根本原因在于:合金负极材料的反应机制不同于石墨负极材料。石墨负极材料具有特殊层状开放结构，在进行嵌脱锂反应时，结构不发生重构，只发生体积的收缩和膨胀。大多数可以与锂形成合金的金属元素在发生嵌脱锂反应时，会形成含锂的金属间化合物LixMy，不同元素形成的晶体结构差异很大。这样，化合物形成时，组分晶体的结构会发生重构，并伴随着大的体积膨胀；同时，在晶体材料中，金属间化合物的形成还会导致两相边界区域产生不均匀的体积变化，造成活性颗粒的破裂或粉化。这种破裂和粉化会导致活性颗粒和电极失去接触，甚至造成负极的崩塌，嵌入活性物质中的锂在随后的过程中无法脱出；即使锂可以从活性物质中脱出，活性物质在室温下也不具备再结晶能力，会变成疏松的非晶物质。在非晶材料中，虽然锂嵌入导致的体积膨胀是均匀的，膨胀和收缩即便可逆，体积的变化也会产生很大的不可逆容量。因此，合金负极材料的研究大多集中在如何减小材料的不可逆容量或提高循环性能方面。目前常见的合金负极材料多为二元合金，主要为锡基或锑基合金，主要的制备方法为喷雾干燥法、表面包覆法、逐层沉积法、模板法、反相微乳液法等，而通过这些方法制备电性能优异的硅基负极材料报道较少。现有技术中公开了一种Cu-Cr-Si三元材料，参见Yan Yu, Cuiping Wang, Xingjun Liu 等，《材料化学和物理学》(Materials Chemistry andPhysics) 127(2011)28 - 39,其常见用途为焊锡材料。本专利技术专利技术人发现将Cu-Cr-Si三元材料用作电池负极材料具有高硬度、高导电性的优点，尤其是将Cu-Cr-Si三元材料经过煅烧得到的Cu-Cr-Si三元合金材料的电化学性能更优于现有娃基负极材料，能制得电性能优异的锂离子电池，且该材料制备方法成本低，工艺简单，有望用于锂离子负极材料的大规模生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种使用Cu-Cr-Si三元材料的电池负极以及以该材料为负极的锂离子二次电池。本专利技术所采用的Cu-Cr-Si三元负极材料能够通过其微观结构有效地抑制硅材料在锂离子嵌入脱出过程中的体积膨胀，提高材料的结构稳定性。在本专利技术的一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极，所述Cu-Cr-Si三元材料由通式CuxCrySiz表示，其中:x+y+z=100,5〈x〈60, 25<y<75, 15〈z〈70，优选 5〈x〈50，优选 28〈y〈72，优选 17〈z〈60。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极，所述Cu-Cr-Si三元材料为Cu-Cr-Si三元合金材料，所述三元合金材料的结构为Cu-Cr-Si合金相或具有均匀的微观分散结构的CrxSiy与Cu、Cr的分相混和物，优选CrxSiy选自 Cr3S1、Cr5Si3> CrSi2 或 CrSi。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极，所述Cu-Cr-Si三元材料优选为Cu-Cr-Si三元合金材料，所述Cu-Cr-Si三元合金材料优选采用以下步骤制备:(I)将铜粉、铬粉、硅粉按化学计量比混合，在真空或惰性气体保护下将混合物加热至500 2000摄氏度，优选800-1200摄氏度，使其形成均匀的分散相，冷却后得到合金铸块；(2)将所得合金铸块粉碎至颗粒尺寸为50-2000nm，优选100-1500nm，更优选150-500nm，最优选180_250nm，得到具有电化学活性的Cu-Cr-Si三元合金材料。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极，所述Cu-Cr-Si三元材料的颗粒尺寸为50-2000nm，优选100_1500nm，更优选150-500nm，最优选 180_250nm。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极，向所述Cu-Cr-Si三元材料中掺入一种或多种结构改性元素，所述结构改性元素选自Zr、Sn、Co、N1、Sb、Ge、B1、T1、Al、Zn、Mg、Mn、V和Fe，所述结构改性元素的含量为O 10%，优选 0-5%。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极，所述Cu-Cr-Si三元材料的比容量为200mAh/g 3000mAh/g，优选范围内的典型化合物比容量为400mAh/g 2000mAh/g。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的电池负极，所述Cu-Cr-Si三元材料采用水热法、共沉淀法、电沉积法、高能球磨法、碳热还原法或固相煅烧法制备，优选采用固相煅烧法制备。在本专利技术的另一个方面，提供了一种包含Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料的锂离子二次电池。在本专利技术的另一个方面，提供了 Cu-Cr-Si三元材料用作电池负极材料的用途。本专利技术的另一个方面提供了 Cu-Cr-Si三元材料在电池负极中用于提高电池循环稳定性和/或电池比容量的用途。本专利技术的另一个方面提供了使用Cu-Cr-Si三元材料制造电池负极的方法，所述方法包括在合金材料中适当添加导电助剂或聚偏氟乙烯等粘结剂后，用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等溶剂将其溶解分散形成浆状物，涂布到铜箔等集流体的单面或双面，真空烘干去除溶剂，形成带状成形的电极薄膜。电极薄膜的制作方法并不限于上述示例的方法。本专利技术的另一个方面提供了使用Cu-Cr-Si三元材料作为负极材料制造锂离子二次电池的方法，所述方法包括将包含Cu-Cr-Si三元材料的负极薄膜与隔膜正极薄膜整齐叠放后，经卷绕制成电池极芯，再经注入电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种包含Cu?Cr?Si三元材料作为负极材料的电池负极。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵金保，崔王君，刘波，陈丁琼，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
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