CN109950490B

CN109950490B - 一种负极材料及其制备方法、锂电池

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Publication number: CN109950490B
Application number: CN201910219214.0A
Authority: CN
Inventors: 柯良节; 伍连彬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN109950490A

Abstract

本发明公开一种负极材料及其制备方法、锂电池，所述负极材料的制备方法包括步骤：将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照预定重量比例进行混合，形成混合材料；向所述混合材料中加入溶剂，制得固含量为4‑10%的混合溶液；向所述混合溶液中加入粘结剂，混合制得浆料溶液；将所述浆料溶液涂覆在锂基板上，干燥后制得所述负极材料。本发明制备的负极材料作为锂电池的负极板可有效提升锂电池的能量密度，且能够有效避免锂晶柱垂直于负极板生长，从而避免锂电池发生正负极短路现象，防止锂电池爆炸。

Description

一种负极材料及其制备方法、锂电池

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种负极材料及其制备方法、锂电池。

背景技术

随着国家政策对新能源汽车的扶持，越来越多的锂离子电池为汽车提供动力牵引而代替汽油，然而由于电池技术的壁垒，安全性能对于新能源汽车的推广提出了极大的挑战。电池的安全性主要体现在电池在遇到极端情况(短路或者过放)时，电池内部发生剧烈反应，电池迅速鼓胀，这时电池内部的气压很大，如果不进行泄压，电池极其容易发生爆炸起火事故。

现有锂电池的负极通常是在锂基板上涂覆导电炭黑材料形成，这种锂电池最大的问题在于随着使用时间的增长，容易出现正负极内部短路的现象并可能引发爆炸。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种负极材料及其制备方法、锂电池，旨在解决现有锂电池随着使用时间的增长，易出现正负极内部短路并引发爆炸的问题。

本发明的技术方案如下：

一种负极材料的制备方法，其中，包括步骤：

将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照预定重量比例进行混合，形成混合材料；

向所述混合材料中加入溶剂，制得固含量为4-10%的混合溶液；

向所述混合溶液中加入粘结剂，混合制得浆料溶液；

将所述浆料溶液涂覆在锂基板上，干燥后制得所述负极材料。

所述负极材料的制备方法，其中，所述石墨烯、纳米硅和纳米硼的重量比为1：（5-10）：（5-10）。

所述负极材料的制备方法，其中，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇和丙醇中的一种或多种。

所述负极材料的制备方法，其中，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠、水性聚氨酯和环氧树脂中的一种或多种。

所述负极材料的制备方法，其中，所述浆料溶液中，粘结剂的质量百分比为2-5%。

所述负极材料的制备方法，其中，所述石墨烯的层数为1-6层。

所述负极材料的制备方法，其中，向所述混合材料中加入溶剂，制得固含量为5%的混合溶液。

一种负极材料，其中，包括锂基板，设置在锂基板上的粘结层，所述粘结层内掺杂有石墨烯、纳米硅和纳米硼。

所述的负极材料，其中，所述石墨烯、纳米硅和纳米硼的重量比为1：（5-10）：（5-10）。

一种锂电池，包括正极板、负极板以及设置在所述正极板和负极板之间的隔膜，其中，所述负极板为本发明所述的负极材料。

有益效果：本发明提供一种负极材料的制备方法，通过在锂基板涂覆浆料溶液，干燥后使得石墨烯、纳米硅和纳米硼固定在所述锂基板表面，制得所述负极材料。本发明制备的负极材料作为锂电池的负极板可有效提升锂电池的能量密度，且能够有效避免锂晶柱垂直于负极板生长，从而避免锂电池发生正负极短路现象，防止锂电池爆炸。

附图说明

图1为现有技术中锂离子电池的结构示意图。

图2为现有锂离子电池负极板在使用过程中生成锂晶柱的结构示意图。

图3为本发明一种负极材料的制备方法较佳实施例的流程图。

图4为本发明制备的负极材料在使用过程中生成锂晶柱的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种负极材料及其制备方法、锂电池，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

现有锂离子电池通常是指采用锂合金金属氧化物作为正极材料，采用石墨或导电炭黑作为负极材料，使用非水电解质的电池。图1是现有锂离子电池的结构示意图，包括正极板、负极板以及设置在正极板和负极板之间的隔膜和电解质，以锂钴合金氧化物作为锂离子电池的正极板，导电炭黑作为锂离子电池的负极板为例，所述锂离子电池的正极板在充电时发生的化学反应为：LiCoO₂=Li_1-xCoO₂+XLi⁺ + Xe^-，所述锂离子电池的正极板在放电时发生的化学反应为：Li_1-xCoO₂+XLi⁺ + Xe^-= LiCoO₂；所述锂离子电池的负极板在充电时发生的化学反应为：6C+XLi⁺+ Xe^-=LixC₆，所述锂离子电池的负极板在放电时发生的化学反应为：LixC₆=6C+XLi⁺+ Xe^-。

从上面的反应方程式中可以看到，在锂离子电池中，主要是由于锂离子就在电解液中来回于正负极材料之间，并发生化学反应，完成电池的充放电过程。然而，现有锂离子电池在使用过程中，有些锂离子在运动到负极的时候，不一定每次都和负极中的碳元素形成LixC₆，而是有可能从负极的导电炭黑上得到电子从而形成锂单质，由于锂是金属，随着锂单质的逐渐生成，其容易形成如图2所示的针状锂晶柱；待锂晶柱长到一定长度后，其就会刺穿正负极中间的隔膜，造成电池的正负极直接短路，最终导致锂离子电池爆炸，这就是现有锂离子电池最大的风险和安全隐患。

为解决现有锂离子电池所存在的问题，本实施方式提供了一种负极材料的制备方法，如图3所示，其包括步骤：

S10、将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照预定重量比例进行混合，形成混合材料；

S20、向所述混合材料中加入溶剂，制得固含量为4-10%的混合溶液；

S30、向所述混合溶液中加入粘结剂，混合制得浆料溶液；

S40、将所述浆料溶液涂覆在锂基板上，干燥后制得所述负极材料。

采用本实施方式制备的负极材料作为锂电池的负极板可有效提升锂电池的能量密度，且能够避免锂电池发生正负极短路现象，防止锂电池爆炸，其实现机理如下所示：

本实施方式采用石墨烯作为负极的碳材料，虽然石墨烯和导电炭黑都是碳材料，但是石墨烯和导电炭黑的最大不同在于导电炭黑的硬度比石墨烯大很多，而且导电炭黑是立体材料，其结构和金刚石类似；而石墨烯则是呈片状结构（类似于纸片）的二维材料，石墨烯在其平面方向具有较高的机械强度，但是在垂直于平面的方向则机械强度较弱，容易弯曲。因此，当采用石墨烯作为锂电池负极板的碳材料时，随着锂电池在长期的使用过程中，锂离子在运动到负极板附近的时候，有可能直接接收到石墨烯上的电子而在石墨烯上生成锂单质，但是由于石墨烯是呈片状结构的二维材料，当石墨烯上的锂单质逐渐增多形成锂晶柱时，所述生成的锂晶柱会使石墨烯发生弯曲，如图4所示，从而使生成的锂晶柱结晶方向发生改变，从而可以有效避免锂晶柱垂直于锂基板生长，并引发短路的事故发生。

进一步的，在本实施方式中，所述锂基板表面除了固定有石墨烯之外，还包括纳米硅和纳米硼，纳米硼一般是多面体结构，而纳米硅则是以圆形结构居多，本实施方式将所述纳米硅、纳米硼和石墨烯混合在一起，然后通过粘结剂固定在锂基板表面，可增加锂基板表面上的石墨烯之间的空隙，便于锂离子的往来穿梭，从而有利于提高锂离子电池的能量密度。

在一些实施方式中，为了增强锂离子电池的能量密度，在所述步骤S10中，将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照重量比为1：（5-10）：（5-10）的比例进行混合，形成混合材料。

在一些实施方式中，向所述混合材料中加入的溶剂选自水、甲醇、乙醇和丙醇中的一种或多种，但不限于此。

在一些具体的实施方式中，向所述混合材料中加入乙醇，制得固含量为5%的混合溶液。

在一些实施方式中，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠、水性聚氨酯和环氧树脂中的一种或多种，但不限于此。

在一些具体的实施方式中，向所述混合溶液中加入粘结剂，混合制得浆料溶液，所述浆料溶液中，粘结剂的质量百分比为2-5%。

在一些实施方式中，石墨烯的层数越少，其在垂直于自身平面的方向上的机械强度越弱，为保证在石墨烯表面生成锂单质后，石墨烯能够发生弯曲，所述石墨烯的层数为1-6层。更优选的，所述石墨烯为单层石墨烯。

在一些实施方式中，还提供一种负极材料，其中，包括锂基板，设置在锂基板上的粘结层，所述粘结层内掺杂有石墨烯、纳米硅和纳米硼。

具体来讲，本实施方式采用石墨烯作为锂电池负极板的碳材料，随着锂电池在长期的使用过程中，锂离子在运动到负极板附近的时候，可直接接收到石墨烯上的电子而在石墨烯上生成锂单质，但是由于石墨烯是呈片状结构的二维材料，当石墨烯上的锂单质逐渐增多形成锂晶柱时，所述生成的锂晶柱会使石墨烯发生弯曲，如图4所示，从而使生成的锂晶柱结晶方向发生改变，从而可以有效避免锂晶柱垂直于锂基板生长，并引发短路的事故发生。

在一些实施方式中，为了增强锂离子电池的能量密度，所述石墨烯、纳米硅和纳米硼的重量比为1：（5-10）：（5-10）。

在一些实施方式中，还提供一种锂电池，包括正极板、负极板以及设置在所述正极板和负极板之间的隔膜，其中，所述负极板为本发明所述的负极材料。

下面通过具体实施例对本发明一种负极材料的制备方法做进一步的解释说明：

实施例1

一种负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

1）、将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照重量比为1:5:5的比例进行混合，形成混合材料；

2）、向所述混合材料中加入水，制得固含量为5%的混合溶液；

3）、向所述混合溶液中加入羧甲基纤维素钠，混合制得浆料溶液；

4）、将所述浆料溶液涂覆在锂基板上，干燥后制得所述负极材料。

实施例2

一种负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

1）、将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照重量比为1:6:7的比例进行混合，形成混合材料；

2）、向所述混合材料中加入乙醇，制得固含量为8%的混合溶液；

3）、向所述混合溶液中加入水性聚氨酯，混合制得浆料溶液；

实施例3

一种负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

1）、将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照重量比为1:8:8的比例进行混合，形成混合材料；

2）、向所述混合材料中加入丙醇，制得固含量为10%的混合溶液；

3）、向所述混合溶液中加入环氧树脂，混合制得浆料溶液；

综上所述，本发明提供一种负极材料的制备方法，通过在锂基板涂覆浆料溶液，干燥后使得石墨烯、纳米硅和纳米硼固定在所述锂基板表面，制得所述负极材料。本发明制备的负极材料作为锂电池的负极板可有效提升锂电池的能量密度，且能够有效避免锂晶柱垂直于负极板生长，从而避免锂电池发生正负极短路现象，防止锂电池爆炸。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种负极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

将石墨烯、纳米硅和纳米硼按照预定重量比例进行混合，形成混合材料，所述石墨烯、纳米硅和纳米硼的重量比为1：(5-10)：(5-10)，所述石墨烯的层数为1-6层；

向所述混合材料中加入溶剂，制得固含量为4-10％的混合溶液；

向所述混合溶液中加入粘结剂，混合制得浆料溶液，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠、水性聚氨酯和环氧树脂中的一种或多种；

将所述浆料溶液涂覆在锂基板上，干燥后制得所述负极材料，当石墨烯上的锂单质逐渐增多形成锂晶柱时，生成的锂晶柱会使石墨烯发生弯曲，使生成的锂晶柱结晶方向发生改变，从而有效避免锂晶柱垂直于锂基板生长。

2.根据权利要求1所述负极材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇和丙醇中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述负极材料的制备方法，其特征在于，所述浆料溶液中，粘结剂的质量百分比为2-5％。

4.根据权利要求1所述负极材料的制备方法，其特征在于，向所述混合材料中加入溶剂，制得固含量为5％的混合溶液。

5.一种负极材料，其特征在于，包括锂基板，设置在锂基板上的粘结层，所述粘结层内掺杂有石墨烯、纳米硅和纳米硼，所述石墨烯、纳米硅和纳米硼的重量比为1：(5-10)：(5-10)，所述石墨烯的层数为1-6层；粘结剂选自羧甲基纤维素钠、水性聚氨酯和环氧树脂中的一种或多种，当石墨烯上的锂单质逐渐增多形成锂晶柱时，生成的锂晶柱会使石墨烯发生弯曲，使生成的锂晶柱结晶方向发生改变，从而有效避免锂晶柱垂直于锂基板生长。

6.一种锂电池，包括正极板、负极板以及设置在所述正极板和负极板之间的隔膜，其特征在于，所述负极板为权利要求5所述的负极材料。