CN1670991A - 一种改性的锂离子电池负极材料、负极及电池 - Google Patents
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Abstract
一种改性的锂离子电池负极材料、负极及电池，负极材料由平均直径范围在1nm－500nm的准一维纳米碳材料改性而成，准一维纳米碳材料占负极材料总重量的0.1％－50％；负极材料的基础材料选自天然石墨、中间相炭微球、无定形炭、硬炭、热解炭、石油焦、沥青基碳纤维等碳质材料、锡基、硅基材料之一种或多种。大量实验证明，经纳米碳管/纳米碳纤维改性的锂离子电池负极的循环寿命、充放电容量、放电倍率等技术指标均获得提高，从而有效提高了锂离子电池的性能。
Description
技术领域：
本发明涉及可充电池技术，特别提供了一种改性的锂离子电池负极材料，用该材料制备的电池负极，及使用该电池负极的锂离子电池。
背景技术：
锂离子电池是一种新型高效的化学电源，2000年其市场份额已超过镍氢、镍镉电池之和，被广泛应用于便携式电子产品，如移动电话、掌上摄像机、笔记本电脑等的配套电源。随着材料进步和电池设计技术的改进，锂离子电池的应用范围可望从信息产业进一步拓展到能源交通(电动汽车、电网调峰)、航天航空、国防等领域。这也对锂离子电池的使用寿命、放电倍率等性能提出了更高要求。锂离子电池性能的提高在很大程度上决定于负极材料性能和比容量的改善。
传统锂离子电池负极材料主要有炭材料、锂合金、锂过渡金属氮化物和导电聚合物。石墨化炭材料的容量较低，大部分硬炭材料有高的不可逆性；锂合金的机械和循环稳定性能差；锂过渡金属氮化物因电压损失较大，并且不能与目前常用的高电位含锂正极相匹配等，因而难以实用化。
目前商用锂离子电池的负极主要采用中间相炭微球、改性天然石墨等碳质材料。以上材料存在放电倍率低、循环性能较差、充放电容量偏低等缺陷。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极材料，用该材料制备的电极及锂离子电池具有较高的电极强度，较高的电池动力学性能，较高的电池循环性能，较高的电池充放电容量。
本发明提供了一种改性的锂离子电池负极材料，其特征在于：该负极材料由平均直径范围在1nm-500nm的准一维纳米炭材料改性而成，准一维纳米炭材料占负极材料总重量的0.1％-50％。
本发明改性的锂离子电池负极材料中，负极材料的基础材料选自天然石墨、中间相炭微球、无定形炭、硬炭、热解炭、石油焦、沥青基炭纤维等碳质材料、锡基、硅基材料之一种或多种。
本发明改性的锂离子电池负极材料中，用于改性的准一维纳米炭材料可经过高温石墨化、短切、表面包覆掺杂、化学处理。
本发明改性的锂离子电池负极材料中，准一维纳米炭材料最好占负极材料总重量的1％-30％。
本发明同时提供了一种锂离子电池负极，其特征在于：该电池负极采用的负极材料由平均直径范围在1nm-500nm的准一维纳米炭材料改性而成，准一维纳米炭材料占负极材料总重量的0.1％-50％。
本发明还提供了一种锂离子电池，其特征在于：该电池的负极材料由平均直径范围在1nm-500nm的准一维纳米炭材料改性而成，准一维纳米炭材料占负极材料总重量的0.1％-50％。
通常情况下，纳米碳管和纳米炭纤维被认为是具有准一维结构的纳米炭材料(这里所指纳米碳管和纳米炭纤维的直径分别为1-100nm和100-1000nm)，它具有长径比大、比强度高、导电性好、化学稳定性好等特点。
本发明首次提出将纳米炭纤维/纳米碳管用作锂离子电池负极改性材料，首先它的强度高、长径比大，是一种理想的增强体材料。只需添加较小体积比的纳米炭纤维/纳米碳管就能有效提高电极强度、延长电池的寿命。其次，纳米炭纤维/纳米碳管具有良好的导电性，大长径比、高导电率的纳米炭纤维/纳米碳管的加入有利于形成三维导电网络，能大幅度提高电极的导电能力。由于协同效应，电极中锂离子的化学扩散系数将相应大幅度提高，电池的电化学极化和内阻分压将明显下降，有利于电池的高功率充放电，从而有效提高电极性能。第三，一般认为，锂离子在电极内部的扩散速率是其嵌入/脱出过程的控制步骤，由于纳米炭纤维/纳米碳管具有纳米尺度，锂离子嵌入和脱出的行程较传统电极材料短得多，而且锂离子沿纳米炭纤维/纳米碳管轴向扩散的速率要比它在焦炭和天然石墨中的扩散速率快得多。因而经过适当预处理(如石墨化、短切、分散、表面氧化腐蚀、掺杂等)的纳米炭纤维/纳米碳管改性的负极材料可以有效提高锂离子电池的动力学性能，为锂离子电池在高动力学性能工况下工作提供可能。
总之，本发明提出以纳米炭材料改性锂离子电池负极，发展新型复合负极材料，从而提高锂离子电池的性能。利用纳米碳管/纳米炭纤维的良好力学性能提高电极强度；利用该材料的纳米尺度效应提高锂离子电池的动力学性能；利用准一维纳米炭的大长径比形成导电网络提高锂离子电池的循环性能；通过在准一维纳米炭表面掺杂或包覆锡、硅、硼等金属和非金属元素提高锂离子电池的充放电容量。
大量实验证明，经纳米碳管/纳米炭纤维改性的锂离子电池负极的循环寿命、充放电容量、放电倍率等技术指标均获得提高，从而有效提高了锂离子电池的性能。
具体实施方式：
实施例1
选用平均直径50nm的纳米碳管，以重量百分比10％的比例与天然石墨混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测结果为：500次循环充放电后容量提高20％，首次容量提高10％，首次效率保持不变。
实施例2
选用平均直径200nm的纳米炭纤维，以重量百分比10％的比例与天然石墨混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高15％，首次容量提高8％，首次效率保持不变。
实施例3
选用平均直径100nm且经过石墨化处理的纳米碳管，以重量百分比5％的比例与天然石墨混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高20％，首次容量提高5％，首次效率保持不变。
实施例4
选用平均直径80nm且表面包覆锡的纳米碳管，以重量百分比10％的比例与天然石墨混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高15％，首次容量提高15％，首次效率保持不变。
实施例5
选用平均直径30nm的纳米碳管，以重量百分比10％的比例与中间相炭微球混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测结果为：500次循环充放电后容量提高20％，首次容量提高8％，首次效率保持不变。
实施例6
选用平均直径100nm且经过石墨化处理的纳米碳管，以重量百分比5％的比例与中间相炭微球混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高20％，首次容量提高5％，首次效率保持不变。
实施例7
选用平均直径100nm且表面包覆硅的纳米碳管，以重量百分比15％的比例与中间相炭微球混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高15％，
实施例8
选用平均直径100nm且经过石墨化处理的纳米碳管，以重量百分比10％的比例与氧化锡混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高30％。
实施例9
选用平均直径400nm且经过石墨化处理的纳米炭纤维，以重量百分比30％的比例与天然石墨混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高20％，首次效率保持不变。
实施例10
选用平均直径1.8nm的纳米碳管，以重量百分比1％的比例与中间相炭微球混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测结果为：500次循环充放电后容量提高15％，首次容量提高5％，首次效率保持不变。
实施例11
选用平均直径150nm且表面包覆热解炭的纳米碳管，以重量百分比10％的比例与改性天然石墨混合均匀得到复合负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高20％，首次容量提高18％，首次效率保持不变。
实施例12
选用平均直径100nm经过石墨化处理且包覆硅的纳米碳管，以重量百分比8％的比例与硬炭球混合均匀得到改性负极材料。按常规锂离子电池负极评价方法检测：500次循环充放电后容量提高20％，首次容量提高5％，首次效率保持不变。
Claims (10)
1、一种改性的锂离子电池负极材料，其特征在于：该负极材料由平均直径范围在1nm-500nm的准一维纳米炭材料改性而成，准一维纳米炭材料占负极材料总重量的0.1％-50％。
2、按照权利要求1所述改性的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述负极材料的基础材料选自天然石墨、中间相炭微球、无定形炭、硬炭、热解炭、石油焦、沥青基炭纤维等碳质材料、锡基、硅基材料之一种或多种。
3、按照权利要求2所述改性的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述用于改性的准一维纳米炭材料经过高温石墨化、短切、表面包覆掺杂、化学处理。
4、按照权利要求3所述改性的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述准一维纳米炭材料占负极材料总重量的1％-30％。
5、一种锂离子电池负极，其特征在于：该电池负极采用的负极材料由平均直径范围在1nm-500nm的准一维纳米炭材料改性而成，准一维纳米炭材料占负极材料总重量的0.1％-50％。
6、按照权利要求5所述锂离子电池负极，其特征在于：所述负极材料的基础材料选自天然石墨、中间相炭微球、无定形炭、硬炭、热解炭、石油焦、沥青基炭纤维等碳质材料、锡基、硅基材料之一种或多种。
7、按照权利要求6所述锂离子电池负极，其特征在于：所述用于改性的准一维纳米炭材料可经过高温石墨化、短切、表面包覆掺杂、化学处理。
8、按照权利要求7所述锂离子电池负极，其特征在于：所述准一维纳米炭材料占负极材料总重量的1％-30％。
9、一种锂离子电池，其特征在于：该电池的负极材料由平均直径范围在1nm-500nm的准一维纳米炭材料改性而成，准一维纳米炭材料占负极材料总重量的0.1％-50％。
10、按照权利要求9所述锂离子电池，其特征在于：所述负极材料的基础材料选自天然石墨、中间相炭微球、无定形炭、硬炭、热解炭、石油焦、沥青基炭纤维等碳质材料、锡基、硅基材料之一种或多种。
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