CN111082028A - 一种容量高的负极材料、制备方法及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

一种容量高的负极，包括负极集流箔和负极材料；负极材料包括负极活性材料、导电剂和粘结剂；负极活性材料包括活性碳材料，活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；导电剂、粘结剂和负极活性材料混合均匀后涂覆在负极集流体上。在本发明中，活性碳与红磷的复合有效的提高了磷材料的导电性，纳米球形磷颗粒均匀的分散在活性碳上，增加了电解液的接触面积，更重要的是P‑C键的存在能够稳定材料的结构，有效的缓解磷材料在充放电循环过程中的体积膨胀，保证电池的循环性能。

Description

一种容量高的负极材料、制备方法及锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种容量高的负极材料、制备方法及锂离子电池。
背景技术
当今世界，随着化石燃料的燃烧带来的环境污染以及全球变暖问题日趋严重，各国都在将基于化石燃料的经济模式向基于新能源为基础的经济模式转变，发展可再生能源和清洁能源是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。社会的高速发展对高安全性、低成本储能技术的需求迫在眉睫。锂离子电池被认为是满足这些需求的最有希望的能量存储技术之一，并已经成功的应用在了便携式电子设备、插电式混合动力汽车和纯电动汽车中，有效的减少了城市运输过程中产生的二氧化碳排放量。
锂离子电池是一种通过化学反应将化学能转变为电能的装置，是能源储存与转化的重要方式之一，几乎在各领域均得到了广泛的应用，是缓解当今能源危机以及减少环境污染的重要产品。在二次电池中，锂离子电池由于具有工作电压高、循环寿命长、容量大、体积小、自放电小、无记忆效应及绿色环保污染少等优点，迅速成为当今便携式电子产品可充电源的首选。对于锂离子电池而言，负极材料对其容量具有决定性的作用，并与电池的成本、安全性能息息相关，负极材料己成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键因素。因此，新型锂离子电池负极材料的开发显得尤为重要。
锂离子电池的负极活性材料中红磷是一种容量较高的负极材料，其具有合适的对锂电位，并且储存量多，成本相对于常规的负极材料成本要低，但是红磷本身的导电性差，在充放电过程中体积膨胀，从而导致循环性能不好。CN107749467A公开了一种梭形结构碳包覆磷化铁电极材料及其制备方法，所述电 极材料中碳包覆磷化铁颗粒是以梭形结构聚集在一起的，碳包覆磷化铁颗粒粒径为10- 80nm，其中磷化铁的质量分数为50-90%，所述梭形结构碳包覆磷化铁电极材料通过聚合、热处理法制备。但是，将复合材料组装成电池进行电化学测试，在测试电流为100 mA·g -1，电压范围为0 .02～3V下，其首次可逆放电容量为680 mAh·g -1，经 15 次循环后容量趋于稳定，经100次循环后，容量衰减为600 mAh·g-1，说明该材料可逆容量较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种比容量高，并且循环性能满足要求的基于磷的负极材料、制备方法和锂离子电池。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种容量高的负极，包括负极集流箔和负极材料；所述负极材料包括负极活性材料、导电剂和粘结剂；所述负极活性材料包括活性碳材料，所述活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；所述导电剂、粘结剂和负极活性材料混合均匀后涂覆在负极集流体上。
上述的容量高的负极，优选的，所述活性碳上由氮原子掺杂。
上述的容量高的负极，优选的，所述导电剂包括炭黑、乙炔黑、导电石墨和碳纳米管的一种或者多种。
上述的容量高的负极，优选的，所述粘结剂包括聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚氨酯的一种或者多种。
一种容量高的负极的制备方法，包括以下步骤，
1）取活性碳研磨，过200目筛网，取小于200目的粉末经过去离子水和无水乙醇充分清洗后，烘干；
2）将步骤1）的活性碳粉末和红磷在一起进行球磨至少3小时后在稀有气体的气氛下进行烧结，烧结温度在500摄氏度以上，保温6小时以上；得到碳磷复合材料，活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；
3）将导电剂、粘结剂和步骤2）得到的碳磷复合材料混合均匀后，涂覆在负极集流体上得到容量高的负极。
上述的容量高的负极材料的制备方法，优选的，将步骤1）所述的活性碳进行氮掺杂，将步骤1）的混合粉末与三聚氰胺混合均匀，所述三聚氰胺的重量与步骤1）的混合粉末的比例为1:5-1:15；在氮气或者稀有气体的保护下进行烧结，烧结的温度在400摄氏度以上，保温1小时；得到氮掺杂的活性碳材料。
上述的容量高的负极材料的制备方法，优选的，所述步骤2）中加入硅材料，将硅材料、红磷和步骤1）的活性碳粉末混合在一起球磨，然后烧结；所述硅材料的重量占混合后材料重量的1%-5%。
上述的容量高的负极材料的制备方法，优选的，所述硅材料包括一硅酸锂、二硅酸锂和五硅酸锂中的一种或者多种。
一种锂离子电池，包括上述的容量高的负极。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在本发明中，活性碳与红磷的复合有效的提高了磷材料的导电性，纳米球形磷颗粒均匀的分散在活性碳上，增加了电解液的接触面积，更重要的是P-C键的存在能够稳定材料的结构，有效的缓解磷材料在充放电循环过程中的体积膨胀，保证电池的循环性能。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
一种容量高的负极，包括负极集流箔和负极材料；所述负极材料包括负极活性材料、导电剂和粘结剂；所述负极活性材料包括活性碳材料，所述活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；所述导电剂、粘结剂和负极活性材料混合均匀后涂覆在负极集流体上。在本发明中，碳和磷的复合有效提高了磷材料的电子导电性，纳米球形磷颗粒均匀分散在氮掺杂的活性碳上，增加了与电解液的接触面积，这些协同效应有助于碳磷复合材料容量的发挥和保持电池循环稳定性。同时，在本发明中碳磷复合后P—C 键的存在能稳定材料的结构，有效缓解材料在充放电过程中的体积膨胀。
在本发明中，活性碳上由氮原子掺杂。活性碳上由氮原子掺杂后能够提供更多的活性微点，使得材料中形成稳定的P-C键。
在本发明中，所述导电剂包括炭黑、乙炔黑、导电石墨和碳纳米管的一种或者多种。
在本发明中，所述粘结剂包括聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚氨酯的一种或者多种。
一种容量高的负极的制备方法， 包括以下步骤，
1）取活性碳研磨，过200目筛网，取小于200目的粉末经过去离子水和无水乙醇充分清洗后，烘干；
2）将步骤1）的活性碳粉末和红磷在一起进行球磨至少3小时后在稀有气体的气氛下进行烧结，烧结温度在500摄氏度以上，保温6小时以上；得到碳磷复合材料，活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；
3）将导电剂、粘结剂和步骤2）得到的碳磷复合材料混合均匀后，涂覆在负极集流体上得到容量高的负极。
在本发明中，将步骤1）所述的活性碳进行氮掺杂，将步骤1）的混合粉末与三聚氰胺混合均匀，所述三聚氰胺的重量与步骤1）的混合粉末的比例为1:5-1:15；在氮气或者稀有气体的保护下进行烧结，烧结的温度在400摄氏度以上，保温1小时；得到氮掺杂的活性碳材料。
在本发明中，所述步骤2）中加入硅材料，将硅材料、红磷和步骤1）的活性碳粉末混合在一起球磨，然后烧结；所述硅材料的重量占混合后材料重量的1%-5%。
在本发明中，所述硅材料包括一硅酸锂、二硅酸锂和五硅酸锂中的一种或者多种。在本发明中，硅材料的加入能够进一步的提高电池的容量，而硅材料以锂盐的形式加入，能够降低充电时产生的不可逆容量。
本发明中还提供一种锂离子电池，包括上面的容量高的负极。
实施例1
一种容量高的负极，包括负极集流箔和负极材料；所述负极材料包括负极活性材料、导电剂和粘结剂；所述负极活性材料包括活性碳材料，所述活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；所述导电剂、粘结剂和负极活性材料混合均匀后涂覆在负极集流体上。在本实施例中，活性碳上由氮原子掺杂。
在本实施中，导电剂为乙炔黑；粘结剂为聚偏氟乙烯。
本实施例的容量高的负极的制备方法，包括以下步骤，
1）取活性碳研磨，过200目筛网，取小于200目的粉末经过去离子水和无水乙醇充分清洗后，烘干；将步骤1）所述的活性碳进行氮掺杂，将步骤1）的混合粉末与三聚氰胺混合均匀，所述三聚氰胺的重量与步骤1）的混合粉末的比例为1:5-1:15；在氮气或者稀有气体的保护下进行烧结，烧结的温度在400摄氏度以上，保温1小时；得到氮掺杂的活性碳材料。
2）将步骤1）的活性碳粉末和红磷在一起进行球磨至少3小时后在稀有气体的气氛下进行烧结，烧结温度在500摄氏度以上，保温6小时以上；得到碳磷复合材料，活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；图1为活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒的SEM图。
3）将导电剂、粘结剂和步骤2）得到的碳磷复合材料混合均匀后，涂覆在负极集流体上得到容量高的负极。
本实施例还提供一种锂离子电池，其采用上面的负极。图2为锂离子电池的倍率性能的测试结果。由图2可以看出，电池的循环性能满足需要。
在其他实施例中，步骤2）中还可以加入硅材料，将硅材料、红磷和步骤1）的活性碳粉末混合在一起球磨，然后烧结；所述硅材料的重量占混合后材料重量的1%-5%。硅材料包括一硅酸锂、二硅酸锂和五硅酸锂中的一种或者多种。

Claims (9)

1.一种容量高的负极，其特征在于：包括负极集流箔和负极材料；所述负极材料包括负极活性材料、导电剂和粘结剂；所述负极活性材料包括活性碳材料，所述活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；所述导电剂、粘结剂和负极活性材料混合均匀后涂覆在负极集流体上。
2.根据权利要求1所述的容量高的负极，其特征在于：所述活性碳上由氮原子掺杂。
3.根据权利要求1所述的容量高的负极，其特征在于：所述导电剂包括炭黑、乙炔黑、导电石墨和碳纳米管的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的容量高的负极，其特征在于：所述粘结剂包括聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚氨酯的一种或者多种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的容量高的负极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）取活性碳研磨，过200目筛网，取小于200目的粉末经过去离子水和无水乙醇充分清洗后，烘干；
2）将步骤1）的活性碳粉末和红磷在一起进行球磨至少3小时后在稀有气体的气氛下进行烧结，烧结温度在500摄氏度以上，保温6小时以上；得到碳磷复合材料，活性碳材料上镶嵌有纳米球形磷颗粒；
3）将导电剂、粘结剂和步骤2）得到的碳磷复合材料混合均匀后，涂覆在负极集流体上得到容量高的负极。
6.根据权利要求5所述的容量高的负极材料的制备方法，其特征在于：将步骤1）所述的活性碳进行氮掺杂，将步骤1）的混合粉末与三聚氰胺混合均匀，所述三聚氰胺的重量与步骤1）的混合粉末的比例为1:5-1:15；在氮气或者稀有气体的保护下进行烧结，烧结的温度在400摄氏度以上，保温1小时；得到氮掺杂的活性碳材料。
7.根据权利要求5所述的容量高的负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中加入硅材料，将硅材料、红磷和步骤1）的活性碳粉末混合在一起球磨，然后烧结；所述硅材料的重量占混合后材料重量的1%-5%。
8.根据权利要求7所述的容量高的负极材料的制备方法，其特征在于：所述硅材料包括一硅酸锂、二硅酸锂和五硅酸锂中的一种或者多种。
9.一种锂离子电池，其特征在于：包括权利要求1-权利要求4任一项所述的容量高的负极。
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