CN103633292B - 锂离子电池负极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池负极，由一碳纳米管膜状结构以及一负极活性材料复合而成，其中，所述碳纳米管膜状结构为一自支撑的结构且包括多个均匀分布的碳纳米管，所述负极活性材料包覆于碳纳米管的表面形成一连续的管状结构。

Description

锂离子电池负极
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池负极。
背景技术
锂离子电池是一种新型的绿色化学电源，与传统的镍镉电池、镍氢电池相比，其具有电压高、寿命长、能量密度大的优点。自1990年日本索尼公司推出第一代锂离子电池后，它已经得到迅速发展并广泛用于各种便携式设备。
现有的锂离子电池的负极材料通常采用碳系材料。现有的碳系材料一般为人造石墨或天然石墨等石墨化碳系材料。这些材料虽然具有循环性能好、脱嵌锂过程中体积变化小等优点，但它们表面碳原子具有大量的不饱和键，在首次充电时电解液会在它们表面分解，并形成SEI(SolidElectrolyteInterface)膜，使它们存在储锂能力较低等缺点。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有高容量的锂离子电池负极。
一种锂离子电池负极，由一碳纳米管膜状结构以及一负极活性材料复合而成，其中，所述碳纳米管膜状结构为一自支撑的结构且包括多个均匀分布的碳纳米管，所述负极活性材料包覆于碳纳米管的表面形成一连续的管状结构。
与现有技术相较，首先，由于所述负极活性材料包覆于所述碳纳米管膜状结构中碳纳米管的表面，故，可以防止所述负极活性材料之间相互团聚，从而可以获得均一、稳定的锂离子电池负极。另外，由于该负极活性材料形成一连续的管状结构，故，该负极活性材料可以和碳纳米管形成良好的结合，从而使该锂离子电池负极具有良好的导电性能，该锂离子电池负极无需额外添加导电添加剂。其次，由于碳纳米管为纳米材料，其具有较大的比表面积，故，可以包覆大量的负极活性材料，使所述锂离子电池负极中负极活性材料的含量较高，从而可以显著提高所述锂离子电池负极的容量。最后，该锂离子电池负极为一宏观的薄膜结构，故，可以方便的应用于各种便携式电子设备。
附图说明
图1为本发明实施例提供的所述锂离子电池负极的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的锂离子电池负极中所采用的碳纳米管拉膜的SEM照片。
图3为本发明实施例提供的锂离子电池负极中所采用的碳纳米管碾压膜的SEM照片。
图4为本发明实施例提供的锂离子电池负极中所采用的碳纳米管絮化膜的SEM照片。
主要元件符号说明
无
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参见图1，本发明提供一种锂离子电池负极。该锂离子电池负极由一碳纳米管膜状结构以及一负极活性材料复合而成。所述锂离子电池负极中，所述负极活性材料的质量百分含量约为50%-90%。优选的，所述锂离子电池负极中，所述负极活性材料的质量百分含量约为70%-80%。本实施例中，所述负极活性材料的质量百分含量约为80%。
所述碳纳米管膜状结构为一自支撑结构。所述自支撑为所述碳纳米管膜状结构不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜状结构置于（或固定于）间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜状结构能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管膜状结构中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。所述碳纳米管膜状结构由多个碳纳米管组成，该多个碳纳米管之间通过范德华力紧密连接。该多个碳纳米管无序或有序排列。所谓无序排列是指碳纳米管的排列方向无规则。所谓有序排列是指碳纳米管的排列方向有规则。所述碳纳米管膜状结构的厚度可以为100纳米-100微米。所述碳纳米管膜状结构中碳纳米管的直径为5~20纳米；优选地，所述碳纳米管的直径为10~15纳米；本实施例中，所述碳纳米管的直径约为10纳米。
所述碳纳米管膜状结构可以为单层或多层层叠设置的碳纳米管拉膜。请参见图2，所述碳纳米管拉膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，所述择优取向排列是指在碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述自支撑为碳纳米管拉膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管拉膜置于（或固定于）间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管拉膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管拉膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。
具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管拉膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。
具体地，所述碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。此外，由于该碳纳米管拉膜具有较大的比表面积，因此，该碳纳米管拉膜具有较大的粘性。
可以理解，由于所述碳纳米管膜状结构中包括多层层叠设置的碳纳米管拉膜，且每层碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿一个方向择优取向排列，因此，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管间具有一交叉角度α，0°≤α≤90°。该碳纳米管膜状结构中碳纳米管拉膜的层数不限，优选为1~20层。本实施例中，所述碳纳米管膜状结构包括2层层叠设置的碳纳米管拉膜，且相邻的碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成90°交叉角度。所述碳纳米管拉膜可以从一碳纳米管阵列中直接拉取获得。
可以理解，所述碳纳米管膜状结构也可以选碳纳米管碾压膜或碳纳米管絮化膜。
所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管，该碳纳米管无序，沿同一方向或不同方向择优取向排列。请参见图3，优选地，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管基本沿同一方向延伸且平行于该碳纳米管碾压膜的表面。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互交叠，从而使所述碳纳米管碾压膜的表面较为粗糙。所述碳纳米管碾压膜中碳纳米管之间通过范德华力相互吸引。该碳纳米管碾压膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管碾压膜及其制备方法请参见2008年12月3日公开的，公开号为CN101314464A的中国发明专利申请公开说明书。
请参见图4，所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕的碳纳米管。该碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，从而使所述碳纳米管絮化膜的表面较为粗糙。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法可参见中国大陆专利公告第CN101284662B号。
所述负极活性材料包覆于所述碳纳米管膜状结构中碳纳米管的表面。优选的，所述负极活性材料包覆于所述碳纳米管膜状结构中每一碳纳米管的表面且均匀分布。所述包覆于碳纳米管表面的负极活性材料形成一连续的管状结构。所述管状结构的管壁的厚度可以根据所述碳纳米管膜状结构中碳纳米管的直径来选择。这是由于：当碳纳米管的直径一定时，随着管状结构的厚度增大，即，负极活性材料的含量越高，一方面，锂离子电池负极可以具有较大的储锂性能，但是，另一方面，锂离子电池负极的离子迁移速度以及电子运输速率会显著降低，进而影响该锂离子电池负极的性能。为了优化锂离子电池负极的性能，所述管状结构的管壁的厚度可以为碳纳米管直径的0.5-3倍。优选地，所述管状结构的管壁的厚度约为碳纳米管直径的1-2倍。更优选地，所述管状结构的管壁的厚度约为碳纳米管直径的1-1.5倍。本实施例中，所述管状结构的管壁的厚度与所述碳纳米管膜状结构中碳纳米管的直径大致相等。
另外，当碳纳米管的直径较小时，即小于5纳米，由于其曲率较大，故，难以在碳纳米管表面均匀的形成一连续的管状金属层，进而难以形成均匀的金属氧化物层，从而会影响锂离子电池负极的性能。另外，当所述碳纳米管膜状结构中碳纳米管的直径较大时，即大于20纳米，在保证锂离子电池负极具有一定的离子迁移速度以及电子运输速率的前提下，即在碳纳米管表面形成一定厚度的负极活性材料层，该单位锂离子电池负极中的负极活性物质含量较低，从而会降低锂离子电池负极的能量密度。
所述负极活性材料可以是非金属单质，如硅、硫等，或金属氧化物等。优选地，所述负极活性材料为金属氧化物，更优选的，负极活性材料优选过渡氧化物。具体地，所述负极活性材料可以是锡的氧化物、铁的氧化物、钴的氧化物、锰的氧化物、镍的氧化物及其混合物。本实施例中，所述负极活性材料为Co3O4，该锂离子电池负极的容量可以达到现有石墨电极容量的2-3倍。
本发明实施例提供的锂离子电池负极具有以下优点：首先，由于所述负极活性材料包覆于所述碳纳米管膜状结构中每一碳纳米管的表面，故，可以防止所述负极活性材料之间相互团聚，从而可以获得均一、稳定的锂离子电池负极。其次，由于碳纳米管为纳米材料，其具有较大的比表面积，故，可以包覆大量的负极活性材料，使所述锂离子电池负极中负极活性材料的含量较高，从而可以显著提高所述锂离子电池负极的容量。再次，由于碳纳米管膜状结构中存在多个间隙，该间隙可以用于容纳锂离子，故，本发明中的锂离子电池负极在使用，其体积不会显著提高。最后，根据碳纳米管的直径选择包覆于碳纳米管表面的活性材料的厚度，可以使锂离子电池负极同时具有较大的容量以及较好的性能，故，本发明实施例中的锂离子电池负极无需添加额外的导电材料，就可以具有良好的导电性能。另，该锂离子电池负极为一宏观的薄膜结构，故，可以方便的应用于各种便携式电子设备。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种锂离子电池负极，其特征在于，由一碳纳米管膜状结构以及一负极活性材料复合而成，其中，所述碳纳米管膜状结构为一自支撑的结构且包括多个均匀分布的碳纳米管，所述碳纳米管的直径为5～20纳米，所述负极活性材料包覆于碳纳米管的表面，所述负极活性材料形成一连续的管状结构。
2.如权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述负极活性材料包覆于每一碳纳米管的表面且均匀分布。
3.如权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述碳纳米管的直径为10～15纳米。
4.如权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述管状结构的管壁的厚度为碳纳米管直径的0.5-3倍。
5.如权利要求4所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述管状结构的管壁的厚度为碳纳米管直径的1-2倍。
6.如权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述锂离子电池负极中，负极活性材料的质量百分含量为50％-90％。
7.如权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述锂离子电池负极中，负极活性材料的质量百分含量为70％-80％。
8.如权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构包括多层层叠设置的碳纳米管膜，且相邻的碳纳米管膜之间通过范德华力紧密相连。
9.如权利要求8所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述每一碳纳米管膜包括多个基本沿同一方向延伸的碳纳米管，且每一碳纳米管与在延伸方向相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。
10.如权利要求8所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述每一碳纳米管膜包括基本沿同一方向延伸且平行于该碳纳米管膜的表面的多个碳纳米管。
11.如权利要求8所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述每一碳纳米管膜包括相互缠绕的碳纳米管，该碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕。
12.如权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述负极活性材料为过渡氧化物。
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