專(zhuān)利名稱(chēng)：一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料，特別是涉及一種 采用納米碳材料和納米金屬或金屬化合物分別兩次包覆納米硅粉的鋰離子電池負(fù)極材料。
背景技術(shù)：
自1991年日本Sony公司將鋰離子電池商品化以來(lái)，鋰離子電池以其能量密度高、 工作電壓高、負(fù)載特性好、充電速度快、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，迅速在移動(dòng)電話(huà)、微型相機(jī)、掌 上電腦、筆記本電腦等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在鋰離子電池中，負(fù)極材料的容量是影響電池容量的重要因素之一。目前，生產(chǎn)中 主要采用石墨或改性的石墨為鋰離子電池的負(fù)極材料。然而，石墨的理論嵌鋰最大容量?jī)H 為372mAh/g。為了滿(mǎn)足高比能量的鋰離子電池的需要，尋找超高貯鋰能力的負(fù)極材料一直 是鋰離子電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前研究的較為成功的碳負(fù)極材料有人造石墨、中間相碳微球(MCMB)、石油焦炭、 碳纖維、裂解聚合物等。通常，鋰在碳材料中形成的化合物的理論表達(dá)式是LiC6，按化學(xué)計(jì) 量的理論比容量為372mAh/g。近年來(lái)隨著對(duì)碳材料研究工作的不斷深入，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì) 石墨和各類(lèi)碳材料進(jìn)行表面改性和結(jié)構(gòu)調(diào)整，或使石墨部分無(wú)序化，或在各類(lèi)碳材料中形 成納米級(jí)的孔、洞和通道等結(jié)構(gòu)，鋰在其中的嵌入/脫嵌不但可以按化學(xué)計(jì)量LiC6進(jìn)行，而 且還可以有化學(xué)非計(jì)量嵌入/脫嵌，其比容量大大增加，由LiC6的理論值372mAh/g提高到 700 1000mAh/g，從而使鋰離子電池的比容量大大增加。碳作為鋰離子電池負(fù)極材料由于存在比容量低，首次充放電效率低，形成SEI膜， 以及高溫電解質(zhì)分解帶來(lái)的不安全等問(wèn)題，人們已經(jīng)開(kāi)始了其它新型高比容量的非碳負(fù)極 材料的研究。硅具有4200mAh/g的理論嵌鋰容量，是一類(lèi)有發(fā)展前景的負(fù)極材料，但首次不可 逆容量大，循環(huán)性能差，難以直接作為鋰離子電池的負(fù)極材料。納米化可以在保證嵌鋰容量 的前提下改善電極的循環(huán)性能，但仍然難以滿(mǎn)足鋰離子電池的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用納米硅粉為內(nèi)核，用納米碳材料包覆納米硅粉形成含核導(dǎo)電體，用納 米金屬或金屬氧化物對(duì)含核導(dǎo)電體再次包覆，經(jīng)兩次包覆即構(gòu)成一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料硅微米粒子，并給出了該負(fù)極材料的制備方法。其中，所述的含核導(dǎo)電體殼層及內(nèi)核形成第一導(dǎo)電層，再次包覆的殼體形成第二 導(dǎo)電層，第二導(dǎo)電層與第一導(dǎo)電層共同形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。所述的納米碳材料為天然石墨、人造石墨、納米碳管、納米碳微球、碳纖維中的一 種或幾種。所述的納米金屬或金屬化合物為納米金屬銀、銅、鋁、氧化鎂、氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鋁中的一種或幾種。所述的硅微米粒子粒度為2-100um。所述的納米硅粉粒度為2-lOOnm。一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，其步驟條件為(1)首次包覆將重量百分比20% 60%的納米硅粉與重量百分比40 80% 的納米碳材料同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)中，蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫 蒸氣為載體使納米硅粉與納米碳材料混合，同時(shí)在納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌， 納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升溫100°c，溫度升至500-1000°C，保溫時(shí) 間為2 10小時(shí)，攪拌速度為60 300轉(zhuǎn)/分鐘；納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)溫度降到 3000C _500°C，壓力為KT5-IO-3Pa,反應(yīng)1 10小時(shí)，使納米碳材料包覆納米硅粉；(2)再次包覆將步驟(1)中的包覆物與納米金屬或金屬化合物按照重量百 分比10% 50% 50 90%，同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)中，蒸氣溫度范圍為 100-600°C,以高溫蒸氣為載體使包覆物與納米金屬或金屬化合物混合，同時(shí)在納米高溫高 壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升溫200°c，溫度 升至400-1000°C，保溫時(shí)間為5 20小時(shí)，攪拌速度為60 300轉(zhuǎn)/分鐘；反應(yīng)釜溫度降 到400°C _800°C，壓力為I(T5-Ii)-3Pa,反應(yīng)2 20小時(shí)，對(duì)包覆物進(jìn)行二次包覆。本發(fā)明制備的鋰離子電池負(fù)極材料，內(nèi)部形成三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，材料應(yīng)用于鋰離子 電池負(fù)極材料，其容量大于1500mAh/g，500次循環(huán)容量保持80%以上。


圖1是本發(fā)明內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中，1為內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料硅微米粒子，2為包覆 在含核導(dǎo)電體表面的第二導(dǎo)電層，3為包覆在納米硅粉表面的第一導(dǎo)電層，4為納米硅粉，5 為鋰離子電池負(fù)極材料硅微米粒子內(nèi)部三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一將30公斤納米硅粉與70公斤納米碳材料同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)中， 蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫蒸氣為載體使納米硅粉與納米碳材料混合，同時(shí)在納 米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升溫 100°C，溫度升至1000°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，攪拌速度為100轉(zhuǎn)/分鐘；納米高溫高壓蒸氣 混合機(jī)溫度降到500°C，壓力為10_5Pa，反應(yīng)10小時(shí)，使納米碳材料包覆納米硅粉；將包覆物與納米銅粉按照重量百分比10% 90%，同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣 混合機(jī)中，蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫蒸氣為載體使包覆物與納米銅粉混合，同時(shí) 在納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升 溫200°C，溫度升至1000°C，保溫時(shí)間為20小時(shí)，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/分鐘；納米高溫高壓 蒸氣混合機(jī)溫度降到40(TC，壓力為10_5Pa，反應(yīng)20小時(shí)，對(duì)包覆物進(jìn)行二次包覆。采用本實(shí)施例形成三維網(wǎng)狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的負(fù)極材料用于鋰離子電池中，電容量為 1550mAh/g,循環(huán)500次后，容量衰減為8 %。
實(shí)施例二 將60公斤納米硅粉與40公斤納米碳材料同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)中， 蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫蒸氣為載體使納米硅粉與納米碳材料混合，同時(shí)在納 米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升溫 100°C，溫度升至900°C，保溫時(shí)間為10小時(shí)，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/分鐘；納米高溫高壓蒸氣 混合機(jī)溫度降到400°C，壓力為10_5Pa，反應(yīng)10小時(shí)，使納米碳材料包覆納米硅粉；將包覆物與納米氫氧化鎂粉按照重量百分比20% 80%，同時(shí)放入納米高溫高 壓蒸氣混合機(jī)中，蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫蒸氣為載體使包覆物與納米氫氧化鎂 粉混合，同時(shí)在納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率 為每1小時(shí)升溫200°C，溫度升至800°C，保溫時(shí)間為10小時(shí)，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/分鐘；納 米高溫高壓蒸氣混合機(jī)溫度降到800°C，壓力為10_5Pa，反應(yīng)20小時(shí)，對(duì)包覆物進(jìn)行二次包 覆。采用本實(shí)施例形成三維網(wǎng)狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的負(fù)極材料用于鋰離子電池中，電容量為 1528mAh/g，循環(huán)500次后，容量衰減為7%。實(shí)施例三將40公斤納米硅粉與60公斤納米碳材料同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)中， 蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫蒸氣為載體使納米硅粉與納米碳材料混合，同時(shí)在納 米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升溫 100°C，溫度升至1000°C，保溫時(shí)間為10小時(shí)，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/分鐘；納米高溫高壓蒸 氣混合機(jī)溫度降到50(TC，壓力為10_5Pa，反應(yīng)10小時(shí)，使納米碳材料包覆納米硅粉；將包覆物與納米鋁粉按照重量百分比30% 70%，同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣 混合機(jī)中，蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫蒸氣為載體使包覆物與納米鋁粉混合，同時(shí) 在納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升 溫200°C，溫度升至800°C，保溫時(shí)間為10小時(shí)，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/分鐘；納米高溫高壓蒸 氣混合機(jī)溫度降到800°C，壓力為10_5Pa，反應(yīng)20小時(shí)，對(duì)包覆物進(jìn)行二次包覆。采用本實(shí)施例形成三維網(wǎng)狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的負(fù)極材料用于鋰離子電池中，電容量為 1540mAh/g，循環(huán)500次后，容量衰減為7. 6%。
權(quán)利要求
一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在于所述負(fù)極材料以納米硅粉為內(nèi)核，用納米碳材料包覆納米硅粉形成含核導(dǎo)電體，該含核導(dǎo)電體殼層及內(nèi)核形成第一導(dǎo)電層，用納米金屬或金屬氧化物對(duì)含核導(dǎo)電體再次包覆，再次包覆的殼體形成第二導(dǎo)電層，經(jīng)兩次包覆即構(gòu)成負(fù)極材料硅微米粒子，該硅微米粒子的第二導(dǎo)電層與第一導(dǎo)電層共同形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在 于所述的納米碳材料為天然石墨、人造石墨、納米碳管、納米碳微球、碳纖維中的一種或幾 種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在 于所述的納米金屬或金屬化合物為納米金屬銀、銅、鋁、氧化鎂、氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化 鋁中的一種或幾種。
4.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在 于所述的硅微米粒子粒度為2-100um。
5.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在 于所述的納米硅粉粒度為2-lOOnm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料的制備方 法，其步驟條件為(1)首次包覆將重量百分比20% 60%的納米硅粉與重量百分比40 80%的納米 碳材料同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)中，蒸氣溫度范圍為100-600°C，以高溫蒸氣為載 體使納米硅粉與納米碳材料混合，同時(shí)在納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫 高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升溫100°C，溫度升至500-1000°C，保溫時(shí)間為2 10 小時(shí)，攪拌速度為60 300轉(zhuǎn)/分鐘；納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)溫度降到300°C-500°C，壓 力為KT5-IO-3Pa,反應(yīng)1 10小時(shí)，使納米碳材料包覆納米硅粉；(2)再次包覆將步驟(1)中的包覆物與納米金屬或金屬化合物按照重量百分 比10% 50% 50 90%，同時(shí)放入納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)中，蒸氣溫度范圍為 100-600°C，以高溫蒸氣為載體使包覆物與納米金屬或金屬化合物混合，同時(shí)在納米高溫高 壓蒸氣混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，納米高溫高壓蒸氣混合機(jī)升溫速率為每1小時(shí)升溫200°C，溫度 升至400-1000°C，保溫時(shí)間為5 20小時(shí)，攪拌速度為60 300轉(zhuǎn)/分鐘；反應(yīng)釜溫度降 到400°C _800°C，壓力為KT5-IQ-3Pa,反應(yīng)2 20小時(shí)，對(duì)包覆物進(jìn)行二次包覆。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。本發(fā)明采用納米硅粉為內(nèi)核，用納米碳材料包覆納米硅粉形成含核導(dǎo)電體，用納米金屬或金屬氧化物對(duì)含核導(dǎo)電體再次包覆，經(jīng)兩次包覆即構(gòu)成一種內(nèi)部含有三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料硅微米粒子，并給出了該負(fù)極材料的制備方法。本發(fā)明制備的鋰離子電池負(fù)極材料，內(nèi)部形成三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，其容量大于1500mAh/g，500次循環(huán)容量保持80％以上。
文檔編號(hào)H01M4/62GK101986442SQ20101018138
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者耿世達(dá) 申請(qǐng)人:耿世達(dá)