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用于锂离子电池的硅碳复合负极材料、其制备方法和应用

作者:nico 浏览: 发表时间:2020-11-26 09:05:01 来源:http://pss-system.cnipa.gov.cn/sipopublicsearch/portal/uiIndex.shtml

申请(专利)号:

CN 201210404007

申请(专利权)人:

深圳清华大学研究院

发明人:

符冬菊陈建军李冬霜张维丽王晓伟

摘要:

本发明适用于新材料领域,提供了一种用于锂离子电池的硅碳复合负极材料,其制备方法和应用.该负极材料为核壳式复合结构,由纳米硅为核,中间层无定形碳和最外层一维纳米碳材料组成.其中中间层的无定形碳,形成可伸缩性的疏松表面结构,使硅的循环性能和倍率性能得到提升;最外层的一维纳米碳材料构建的网络结构不仅起到了缓冲机械应力的作用,而且为硅活性颗粒提供了快速导电通道,进一步提高硅的循环性能和倍率性能;同时,一维纳米碳材料形成的三维导电导热网络,可将电池放电过程中产生的热量及时传导到周围空间,提高电池的安全性能.本发明用于锂离子电池的硅碳复合负极材料制备方法工艺简单易行,环保节能,成本低廉,易于产业化.


在资源匮乏、化石价格高涨、全球变暖、减碳排放、可持续发展以及城市交通堵塞和汽车排放严重等大时代背景下,大力发展以作为新能源汽车、太阳能、风能等急需的储能用动力电池为代表的新型化学存储技术,已成为世界各国政府普遍关注和支持的重点。作为绿色化学电源的锂离子电池是目前应用最为广泛的二次电池,需求范围遍及电子产品、信息产业、能源交通和军工国防等领域。负极材料作为锂离子电池的关键材料之一,对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。

 

当前商业化的锂离子电池仍主要采用石墨类碳负极材料。然而,石墨的理论比容量仅为372mAh/g,而且嵌锂电位平台接近金属锂,快速充电或低温充电易发生“析锂”现象引发安全隐患,大大制约了锂离子电池的发展应用。各种非碳负极材料中,硅以其独特的优势和潜力吸引了越来越多研究者的目光。硅与锂能够形成一系列合金,最高组分可达Li4.4Si,理论容量高达4200mAh/g。另外其插锂电位较石墨高,充放电过程中不易形成枝晶,具有更高安全性能。但是,在锂插脱过程中,这类材料体积变化达到300%以上。严重的体积膨胀所产生的内应力导致电极材料粉化和剥落,其容量迅速下降,最终使电池失去活性。出于大规模产业化应用的考虑,制备高容量的具有纳米结构的复合硅碳负极材料最具有发展潜力。

 

制备性能优良的Si/C复合负极材料,关键在于如何获得合理的材料结构。微纳米级的硅颗粒均匀分布或被碳完全包覆,碳质缓冲基体形成良好的传导电路并有合理的孔或层结构以控制Si在充放电过程中的胀缩,同时材料整体具有稳定结构。但目前制备的硅碳复合材料在锂离子脱嵌过程中难以保持活性硅材料的结构稳定性,导致循环稳定性、倍率性能和安全性能不理想,限制了其实际应用。 


具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种用于锂离子电池的硅碳复合负极材料,该负极材料为核壳式三层复合结构构,包括核体和依次包覆于核体的中间层及最外层,该核体为纳米硅,该中间层为无定形碳,该最外层为一维纳米碳材料。

也就是说,本发明实施例负极材料,由核壳式结构的微粒组成,该核壳式结构包括三层复合结构,核体和依次包覆于核体的中间层及最外层,该核体为纳米硅,该中间层为无定形碳,该最外层为一维纳米碳材料。

该核体为纳米硅,该纳米硅的粒径优选为10~100nm,也即,该核体的粒径为10-100nm。

该中间层包覆于该核体表面,该中间层的厚度为1~80nm,材质为无定形碳。该无定形碳优选为多孔碳。该包覆层由无定形碳组成,形成可伸缩性的疏松表面结构,为锂离子嵌入硅基体材料提供可膨胀缓冲空间,使硅的循环性能和倍率性能得到提升。

该最外层为一维纳米碳材料,例如,碳纳米管或碳纳米纤维。通过选用碳纳米管或碳纳米纤维的外层,该碳纳米管或碳纳米纤维构建形成网络结构,不仅起到了缓冲机械应力的作用,而且为硅活性颗粒提供了快速导电通道,进一步提高硅的循环性能和倍率性能;同时,该外层一维纳米碳材料形成的三维导电导热网络,可将电池放电过程中产生的热量及时传导到周围空间,提高电池的安全性能。

本发明用于锂离子电池的硅碳复合负极材料,中间层的无定形碳,形成可伸缩性的疏松表面结构,为锂离子嵌入硅基体材料提供可膨胀缓冲空间,使硅的循环性能和倍率性能得到提升;外层的一维纳米碳材料构建的网络结构不仅起到了缓冲机械应力的作用,而且为硅活性颗粒提供了快速导电通道,进一步提高硅的循环性能和倍率性能;同时,一维纳米碳材料形成的三维导电导热网络,可将电池放电过程中产生的热量及时传导到周围空间,提高电池的安全性能。















  

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